Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA ASIGNATURA: LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA: INGENIERÌA QUÍMICA MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA 1

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

MANUAL DE PRAacuteCTICAS

DE LABORATORIO

INTEGRAL I

CARRERA

INGENIERIacuteA QUIacuteMICA

APORTACIOgraveN Jorge A Cuevas Landero

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IacuteNDICEIntroduccioacuten

Instructivo para la Elaboracioacuten de Pre-reportes

Instructivo para la Elaboracioacuten de Reportes

PRAacuteCTICAS DE MOMENTUM

Praacutectica 1 Determinacioacuten de la viscosidad con un viscosiacutemetro capilar y con el viscosiacutemetro de Brookfield

Praacutectica 2 Difusioacuten molecular en liacutequidos-No Reynolds

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE MOMENTUM

Praacutectica a Agitacioacuten de liacutequidos en un tanque

PRAacuteCTICAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Praacutectica 3 Coeficiente total de Transferencia de Calor en un cambiador de calor de coraza y tubos

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE CALOR

Praacutectica b Determinacioacuten Experimental del Coeficiente Global

PRAacuteCTICAS DE TRANSFERENCIA DE MASA

Praacutectica 4 Determinacioacuten experimental de los coeficientes de difusioacuten de un gas PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE MASA

Praacutectica c Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masaen un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

PRACTICAS DE FLUJO DE FLUIDOSPractica 5 Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE CALORPraacutectica d Peacuterdidas por friccioacuten en tuberiacuteas y accesorios

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PROYECTO FINAL

INTRODUCCIOacuteN

A LOS ALUMNOS Y ALUMNAS DEL TESE

Los cursos de Laboratorios Integral tienen el propoacutesito de ensentildearte a llevar a cabo experimentos relacionados con los principales conceptos de los cursos teoacutericos de Mecaacutenica de Fluidos Transferencia de Calor y Transferencia de Masa para que puedas verlos ilustrados en algunos sistemas muchas veces sencillos para que tambieacuten puedas desarrollar algunos modelos que representan los procesos de transferencia que se dan el tales sistemas a partir del conocimiento de los aparatos de laboratorio disentildeados y existentes para la realizacioacuten de dichas experiencias cuyas principales caracteriacutesticas deberaacutes descubrir para generar un modelo fiacutesico conceptual simple del proceso en cuestioacuten de modo que la aplicacioacuten de tus conocimientos teoacutericos te permita establecer los balances de fuerzas masa y energiacutea pertinentes resolverlos con sus particulares condiciones iniacuteciales y de frontera que deberaacutes tambieacuten indagar y proponer cuidando que sean al menos aproximadamente realizables en la praacutectica Luego habraacutes de identificar a partir de la solucioacuten cuaacuteles son los datos de laboratorio que deberaacutes tomar los paraacutemetros fiacutesicos quiacutemicos y geomeacutetricos que deberaacutes conocer asiacute como otra informacioacuten pertinente que deberaacutes buscar tanto en el laboratorio como en la biblioteca Una vez que has cumplido esta etapa estaacutes en la posibilidad de disentildear tu experimento elegir un sistema es decir un material adecuado o un par de materiales soluto-solvente elaborar un formato de Hoja de datos de laboratorio que contenga toda la informacioacuten requerida del experimento planear la secuencia de las actividades a desarrollar en el transcurso del experimento previendo cuales seraacuten los instrumentos perifeacutericos de servicio y de medicioacuten que vas a requerir a partir de un conjunto de alternativas Estas son las actividades que te permitiraacuten realizar una experiencia de laboratorio ilustrativa y estimulante son tu preparacioacuten para obtener el maacuteximo de tu trabajo experimental En el pre-reporte de la praacutectica incluiraacutes todos los aspectos arriba sentildealados para mostrar que te has preparado convenientemente para llevar a cabo la experienciaLa realizacioacuten misma del experimento te brindaraacute otras riquezas continuaraacutes aprendiendo a mover las manos pero tambieacuten es muy importante que

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agudices todos tus sentidos que observes y relaciones lo que sucede en tu sistema y sus alrededores que interpretes lo que observas de acuerdo a tus conocimientos de toda la carrera y si lo crees conveniente pruebes mejoras al sistema tratando de obtener los mejores resultados Con esto queremos decir que trates de saber por ejemplo si tu sistema es realmente isoteacutermico si estaacute bien agitado si causas las miacutenimas perturbaciones posibles al tomar las muestras aliacutecuotas necesarias para determinar la concentracioacuten si no existen gradientes de presioacuten o concentracioacuten indeseables que podriacutean inducir alguacuten efecto inadecuado etc Hacerte preguntas en este sentido te formaraacuten como profesionista cuidadoso y serio en su trabajo y te permitiraacuten obtener buenos resultados y la satisfaccioacuten de conocer un poco maacutes del comportamiento de los materiales y sistemas de la ingenieriacutea En esta etapa anotaraacutes todos los datos en tu hoja de datos de laboratorio y todas las observaciones que consideres importantes ocurridas en el transcurso del experimento La tercera etapa es tan importante como las dos previas Con tus datos de laboratorio deberaacutes encontrar los paraacutemetros o funciones deseadas Cuidaraacutes en el reporte de tus resultados el anaacutelisis de las incertidumbres y elaboraraacutes pruebas de hipoacutetesis para asignarles los niveles de confianza que correspondan Esto te permitiraacute acotar la validez de tus conclusiones y sugerencias El reporte final es el producto iacutentegro de tu trabajo en cada praacutectica Deberaacutes cuidar que refleje la calidad y la cantidad del trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de tus experiencias asociadas al desarrollo de la praacutectica Por ello deberaacutes incluir la mayor parte de las secciones que se te solicitaron en el pre-reporte pero ahora incorporando tanto las observaciones marcadas por el profesor como los aspectos que ahora despueacutes de haber concluido las actividades manuales de la praacutectica consideres convenientes

Al escribir el reporte final deberaacutes poner eacutenfasis en la claridad para lo cual deberaacutes tener en mente cuaacuteles son los objetivos de la praacutectica y los logros de la misma Ademaacutes deberaacutes resaltar aquellos aspectos que consideras que podriacutean hacer original o distinta la realizacioacuten de tu praacutectica con respecto a lo que podriacutea ser lo usual por ejemplo si usaste un material no convencional o un nuevo sistema soluto-solvente si empleaste alguacuten meacutetodo alternativo para medir alguna variable o si desarrollaste alguna explicacioacuten interesante para alguacuten comportamiento observado que hayas podido comprobar que fue importante para obtener mejoras en tus resultados etc Esto da una idea de la creatividad con la que has abordado la tarea Deberaacutes tener presentes a los potenciales lectores del reporte para que al leerlo reciban la impresioacuten deseada esto es que puedan apreciar el valor de tu trabajo Por ahora esto es importante para que tu evaluacioacuten sea acorde con la calidad de la experiencia adquirida y en el futuro esta habilidad significaraacute mucho para tu desarrollo profesional Otra faceta importante es la realizacioacuten del trabajo en equipo Este es un aspecto importante en tu formacioacuten profesional Un equipo bien integrado discute cada

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una de las actividades toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicaacutendose y discutiendo las diversas experiencias de manera que el reporte resulta un escrito integrado y no meramente un fardo de pequentildeas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser maacutes estimulante cuando hay una buena relacioacuten entre los integrantes del equipo pero auacuten si ese no es el caso el logro de los objetivos deberiacutea ser un aliciente suficiente para llevar a buen teacutermino el trabajo No siempre es posible trabajar uacutenicamente con las personas maacutes afines a nuestra manera de ser

SEGURIDAD

Hay normas de seguridad que deben cumplirse estrictamente para evitar accidentes en el laboratorio que en esta etapa de tu carrera ya debes conocer Este reglamento estaacute disponible para su consulta en el mismo laboratorio y es necesario que esteacutes al corriente de su contenido por lo cual si no lo has leiacutedo o no lo recuerdas es conveniente que lo solicites y comprendas antes de iniciar tu trabajo experimental A manera de un recordatorio mencionaremos a continuacioacuten algunos de los puntos maacutes importantes

1 El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos Para realizar algunas manipulaciones de sustancias quiacutemicas tambieacuten deben usarse guantes lentes protectores y mascarillas Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodoacuten zapatos cerrados con suelas gruesas y sin tacones o plataformas

2 No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio No fumar

3 Operar un instrumento o aparato solamente cuando sabes hacerlo de otra manera solicitar la ayuda del profesor del ayudante o del teacutecnico del laboratorio para adquirir la destreza necesaria

4 Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento seguir el procedimiento adecuado para apagarlo desconectarlo guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia

5 Al concluir una praacutectica levantar todos los instrumentos equipos y accesorios utilizados verificar que todas las tomas de agua gas aire u

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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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QUIacuteMICA

Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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IacuteNDICEIntroduccioacuten

Instructivo para la Elaboracioacuten de Pre-reportes

Instructivo para la Elaboracioacuten de Reportes

PRAacuteCTICAS DE MOMENTUM

Praacutectica 1 Determinacioacuten de la viscosidad con un viscosiacutemetro capilar y con el viscosiacutemetro de Brookfield

Praacutectica 2 Difusioacuten molecular en liacutequidos-No Reynolds

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE MOMENTUM

Praacutectica a Agitacioacuten de liacutequidos en un tanque

PRAacuteCTICAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Praacutectica 3 Coeficiente total de Transferencia de Calor en un cambiador de calor de coraza y tubos

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE CALOR

Praacutectica b Determinacioacuten Experimental del Coeficiente Global

PRAacuteCTICAS DE TRANSFERENCIA DE MASA

Praacutectica 4 Determinacioacuten experimental de los coeficientes de difusioacuten de un gas PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE MASA

Praacutectica c Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masaen un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

PRACTICAS DE FLUJO DE FLUIDOSPractica 5 Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRAacuteCTICAS ADICIONALES OPTATIVAS DE CALORPraacutectica d Peacuterdidas por friccioacuten en tuberiacuteas y accesorios

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PROYECTO FINAL

INTRODUCCIOacuteN

A LOS ALUMNOS Y ALUMNAS DEL TESE

Los cursos de Laboratorios Integral tienen el propoacutesito de ensentildearte a llevar a cabo experimentos relacionados con los principales conceptos de los cursos teoacutericos de Mecaacutenica de Fluidos Transferencia de Calor y Transferencia de Masa para que puedas verlos ilustrados en algunos sistemas muchas veces sencillos para que tambieacuten puedas desarrollar algunos modelos que representan los procesos de transferencia que se dan el tales sistemas a partir del conocimiento de los aparatos de laboratorio disentildeados y existentes para la realizacioacuten de dichas experiencias cuyas principales caracteriacutesticas deberaacutes descubrir para generar un modelo fiacutesico conceptual simple del proceso en cuestioacuten de modo que la aplicacioacuten de tus conocimientos teoacutericos te permita establecer los balances de fuerzas masa y energiacutea pertinentes resolverlos con sus particulares condiciones iniacuteciales y de frontera que deberaacutes tambieacuten indagar y proponer cuidando que sean al menos aproximadamente realizables en la praacutectica Luego habraacutes de identificar a partir de la solucioacuten cuaacuteles son los datos de laboratorio que deberaacutes tomar los paraacutemetros fiacutesicos quiacutemicos y geomeacutetricos que deberaacutes conocer asiacute como otra informacioacuten pertinente que deberaacutes buscar tanto en el laboratorio como en la biblioteca Una vez que has cumplido esta etapa estaacutes en la posibilidad de disentildear tu experimento elegir un sistema es decir un material adecuado o un par de materiales soluto-solvente elaborar un formato de Hoja de datos de laboratorio que contenga toda la informacioacuten requerida del experimento planear la secuencia de las actividades a desarrollar en el transcurso del experimento previendo cuales seraacuten los instrumentos perifeacutericos de servicio y de medicioacuten que vas a requerir a partir de un conjunto de alternativas Estas son las actividades que te permitiraacuten realizar una experiencia de laboratorio ilustrativa y estimulante son tu preparacioacuten para obtener el maacuteximo de tu trabajo experimental En el pre-reporte de la praacutectica incluiraacutes todos los aspectos arriba sentildealados para mostrar que te has preparado convenientemente para llevar a cabo la experienciaLa realizacioacuten misma del experimento te brindaraacute otras riquezas continuaraacutes aprendiendo a mover las manos pero tambieacuten es muy importante que

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agudices todos tus sentidos que observes y relaciones lo que sucede en tu sistema y sus alrededores que interpretes lo que observas de acuerdo a tus conocimientos de toda la carrera y si lo crees conveniente pruebes mejoras al sistema tratando de obtener los mejores resultados Con esto queremos decir que trates de saber por ejemplo si tu sistema es realmente isoteacutermico si estaacute bien agitado si causas las miacutenimas perturbaciones posibles al tomar las muestras aliacutecuotas necesarias para determinar la concentracioacuten si no existen gradientes de presioacuten o concentracioacuten indeseables que podriacutean inducir alguacuten efecto inadecuado etc Hacerte preguntas en este sentido te formaraacuten como profesionista cuidadoso y serio en su trabajo y te permitiraacuten obtener buenos resultados y la satisfaccioacuten de conocer un poco maacutes del comportamiento de los materiales y sistemas de la ingenieriacutea En esta etapa anotaraacutes todos los datos en tu hoja de datos de laboratorio y todas las observaciones que consideres importantes ocurridas en el transcurso del experimento La tercera etapa es tan importante como las dos previas Con tus datos de laboratorio deberaacutes encontrar los paraacutemetros o funciones deseadas Cuidaraacutes en el reporte de tus resultados el anaacutelisis de las incertidumbres y elaboraraacutes pruebas de hipoacutetesis para asignarles los niveles de confianza que correspondan Esto te permitiraacute acotar la validez de tus conclusiones y sugerencias El reporte final es el producto iacutentegro de tu trabajo en cada praacutectica Deberaacutes cuidar que refleje la calidad y la cantidad del trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de tus experiencias asociadas al desarrollo de la praacutectica Por ello deberaacutes incluir la mayor parte de las secciones que se te solicitaron en el pre-reporte pero ahora incorporando tanto las observaciones marcadas por el profesor como los aspectos que ahora despueacutes de haber concluido las actividades manuales de la praacutectica consideres convenientes

Al escribir el reporte final deberaacutes poner eacutenfasis en la claridad para lo cual deberaacutes tener en mente cuaacuteles son los objetivos de la praacutectica y los logros de la misma Ademaacutes deberaacutes resaltar aquellos aspectos que consideras que podriacutean hacer original o distinta la realizacioacuten de tu praacutectica con respecto a lo que podriacutea ser lo usual por ejemplo si usaste un material no convencional o un nuevo sistema soluto-solvente si empleaste alguacuten meacutetodo alternativo para medir alguna variable o si desarrollaste alguna explicacioacuten interesante para alguacuten comportamiento observado que hayas podido comprobar que fue importante para obtener mejoras en tus resultados etc Esto da una idea de la creatividad con la que has abordado la tarea Deberaacutes tener presentes a los potenciales lectores del reporte para que al leerlo reciban la impresioacuten deseada esto es que puedan apreciar el valor de tu trabajo Por ahora esto es importante para que tu evaluacioacuten sea acorde con la calidad de la experiencia adquirida y en el futuro esta habilidad significaraacute mucho para tu desarrollo profesional Otra faceta importante es la realizacioacuten del trabajo en equipo Este es un aspecto importante en tu formacioacuten profesional Un equipo bien integrado discute cada

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una de las actividades toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicaacutendose y discutiendo las diversas experiencias de manera que el reporte resulta un escrito integrado y no meramente un fardo de pequentildeas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser maacutes estimulante cuando hay una buena relacioacuten entre los integrantes del equipo pero auacuten si ese no es el caso el logro de los objetivos deberiacutea ser un aliciente suficiente para llevar a buen teacutermino el trabajo No siempre es posible trabajar uacutenicamente con las personas maacutes afines a nuestra manera de ser

SEGURIDAD

Hay normas de seguridad que deben cumplirse estrictamente para evitar accidentes en el laboratorio que en esta etapa de tu carrera ya debes conocer Este reglamento estaacute disponible para su consulta en el mismo laboratorio y es necesario que esteacutes al corriente de su contenido por lo cual si no lo has leiacutedo o no lo recuerdas es conveniente que lo solicites y comprendas antes de iniciar tu trabajo experimental A manera de un recordatorio mencionaremos a continuacioacuten algunos de los puntos maacutes importantes

1 El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos Para realizar algunas manipulaciones de sustancias quiacutemicas tambieacuten deben usarse guantes lentes protectores y mascarillas Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodoacuten zapatos cerrados con suelas gruesas y sin tacones o plataformas

2 No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio No fumar

3 Operar un instrumento o aparato solamente cuando sabes hacerlo de otra manera solicitar la ayuda del profesor del ayudante o del teacutecnico del laboratorio para adquirir la destreza necesaria

4 Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento seguir el procedimiento adecuado para apagarlo desconectarlo guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia

5 Al concluir una praacutectica levantar todos los instrumentos equipos y accesorios utilizados verificar que todas las tomas de agua gas aire u

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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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PROYECTO FINAL

INTRODUCCIOacuteN

A LOS ALUMNOS Y ALUMNAS DEL TESE

Los cursos de Laboratorios Integral tienen el propoacutesito de ensentildearte a llevar a cabo experimentos relacionados con los principales conceptos de los cursos teoacutericos de Mecaacutenica de Fluidos Transferencia de Calor y Transferencia de Masa para que puedas verlos ilustrados en algunos sistemas muchas veces sencillos para que tambieacuten puedas desarrollar algunos modelos que representan los procesos de transferencia que se dan el tales sistemas a partir del conocimiento de los aparatos de laboratorio disentildeados y existentes para la realizacioacuten de dichas experiencias cuyas principales caracteriacutesticas deberaacutes descubrir para generar un modelo fiacutesico conceptual simple del proceso en cuestioacuten de modo que la aplicacioacuten de tus conocimientos teoacutericos te permita establecer los balances de fuerzas masa y energiacutea pertinentes resolverlos con sus particulares condiciones iniacuteciales y de frontera que deberaacutes tambieacuten indagar y proponer cuidando que sean al menos aproximadamente realizables en la praacutectica Luego habraacutes de identificar a partir de la solucioacuten cuaacuteles son los datos de laboratorio que deberaacutes tomar los paraacutemetros fiacutesicos quiacutemicos y geomeacutetricos que deberaacutes conocer asiacute como otra informacioacuten pertinente que deberaacutes buscar tanto en el laboratorio como en la biblioteca Una vez que has cumplido esta etapa estaacutes en la posibilidad de disentildear tu experimento elegir un sistema es decir un material adecuado o un par de materiales soluto-solvente elaborar un formato de Hoja de datos de laboratorio que contenga toda la informacioacuten requerida del experimento planear la secuencia de las actividades a desarrollar en el transcurso del experimento previendo cuales seraacuten los instrumentos perifeacutericos de servicio y de medicioacuten que vas a requerir a partir de un conjunto de alternativas Estas son las actividades que te permitiraacuten realizar una experiencia de laboratorio ilustrativa y estimulante son tu preparacioacuten para obtener el maacuteximo de tu trabajo experimental En el pre-reporte de la praacutectica incluiraacutes todos los aspectos arriba sentildealados para mostrar que te has preparado convenientemente para llevar a cabo la experienciaLa realizacioacuten misma del experimento te brindaraacute otras riquezas continuaraacutes aprendiendo a mover las manos pero tambieacuten es muy importante que

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agudices todos tus sentidos que observes y relaciones lo que sucede en tu sistema y sus alrededores que interpretes lo que observas de acuerdo a tus conocimientos de toda la carrera y si lo crees conveniente pruebes mejoras al sistema tratando de obtener los mejores resultados Con esto queremos decir que trates de saber por ejemplo si tu sistema es realmente isoteacutermico si estaacute bien agitado si causas las miacutenimas perturbaciones posibles al tomar las muestras aliacutecuotas necesarias para determinar la concentracioacuten si no existen gradientes de presioacuten o concentracioacuten indeseables que podriacutean inducir alguacuten efecto inadecuado etc Hacerte preguntas en este sentido te formaraacuten como profesionista cuidadoso y serio en su trabajo y te permitiraacuten obtener buenos resultados y la satisfaccioacuten de conocer un poco maacutes del comportamiento de los materiales y sistemas de la ingenieriacutea En esta etapa anotaraacutes todos los datos en tu hoja de datos de laboratorio y todas las observaciones que consideres importantes ocurridas en el transcurso del experimento La tercera etapa es tan importante como las dos previas Con tus datos de laboratorio deberaacutes encontrar los paraacutemetros o funciones deseadas Cuidaraacutes en el reporte de tus resultados el anaacutelisis de las incertidumbres y elaboraraacutes pruebas de hipoacutetesis para asignarles los niveles de confianza que correspondan Esto te permitiraacute acotar la validez de tus conclusiones y sugerencias El reporte final es el producto iacutentegro de tu trabajo en cada praacutectica Deberaacutes cuidar que refleje la calidad y la cantidad del trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de tus experiencias asociadas al desarrollo de la praacutectica Por ello deberaacutes incluir la mayor parte de las secciones que se te solicitaron en el pre-reporte pero ahora incorporando tanto las observaciones marcadas por el profesor como los aspectos que ahora despueacutes de haber concluido las actividades manuales de la praacutectica consideres convenientes

Al escribir el reporte final deberaacutes poner eacutenfasis en la claridad para lo cual deberaacutes tener en mente cuaacuteles son los objetivos de la praacutectica y los logros de la misma Ademaacutes deberaacutes resaltar aquellos aspectos que consideras que podriacutean hacer original o distinta la realizacioacuten de tu praacutectica con respecto a lo que podriacutea ser lo usual por ejemplo si usaste un material no convencional o un nuevo sistema soluto-solvente si empleaste alguacuten meacutetodo alternativo para medir alguna variable o si desarrollaste alguna explicacioacuten interesante para alguacuten comportamiento observado que hayas podido comprobar que fue importante para obtener mejoras en tus resultados etc Esto da una idea de la creatividad con la que has abordado la tarea Deberaacutes tener presentes a los potenciales lectores del reporte para que al leerlo reciban la impresioacuten deseada esto es que puedan apreciar el valor de tu trabajo Por ahora esto es importante para que tu evaluacioacuten sea acorde con la calidad de la experiencia adquirida y en el futuro esta habilidad significaraacute mucho para tu desarrollo profesional Otra faceta importante es la realizacioacuten del trabajo en equipo Este es un aspecto importante en tu formacioacuten profesional Un equipo bien integrado discute cada

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una de las actividades toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicaacutendose y discutiendo las diversas experiencias de manera que el reporte resulta un escrito integrado y no meramente un fardo de pequentildeas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser maacutes estimulante cuando hay una buena relacioacuten entre los integrantes del equipo pero auacuten si ese no es el caso el logro de los objetivos deberiacutea ser un aliciente suficiente para llevar a buen teacutermino el trabajo No siempre es posible trabajar uacutenicamente con las personas maacutes afines a nuestra manera de ser

SEGURIDAD

Hay normas de seguridad que deben cumplirse estrictamente para evitar accidentes en el laboratorio que en esta etapa de tu carrera ya debes conocer Este reglamento estaacute disponible para su consulta en el mismo laboratorio y es necesario que esteacutes al corriente de su contenido por lo cual si no lo has leiacutedo o no lo recuerdas es conveniente que lo solicites y comprendas antes de iniciar tu trabajo experimental A manera de un recordatorio mencionaremos a continuacioacuten algunos de los puntos maacutes importantes

1 El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos Para realizar algunas manipulaciones de sustancias quiacutemicas tambieacuten deben usarse guantes lentes protectores y mascarillas Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodoacuten zapatos cerrados con suelas gruesas y sin tacones o plataformas

2 No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio No fumar

3 Operar un instrumento o aparato solamente cuando sabes hacerlo de otra manera solicitar la ayuda del profesor del ayudante o del teacutecnico del laboratorio para adquirir la destreza necesaria

4 Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento seguir el procedimiento adecuado para apagarlo desconectarlo guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia

5 Al concluir una praacutectica levantar todos los instrumentos equipos y accesorios utilizados verificar que todas las tomas de agua gas aire u

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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

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MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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agudices todos tus sentidos que observes y relaciones lo que sucede en tu sistema y sus alrededores que interpretes lo que observas de acuerdo a tus conocimientos de toda la carrera y si lo crees conveniente pruebes mejoras al sistema tratando de obtener los mejores resultados Con esto queremos decir que trates de saber por ejemplo si tu sistema es realmente isoteacutermico si estaacute bien agitado si causas las miacutenimas perturbaciones posibles al tomar las muestras aliacutecuotas necesarias para determinar la concentracioacuten si no existen gradientes de presioacuten o concentracioacuten indeseables que podriacutean inducir alguacuten efecto inadecuado etc Hacerte preguntas en este sentido te formaraacuten como profesionista cuidadoso y serio en su trabajo y te permitiraacuten obtener buenos resultados y la satisfaccioacuten de conocer un poco maacutes del comportamiento de los materiales y sistemas de la ingenieriacutea En esta etapa anotaraacutes todos los datos en tu hoja de datos de laboratorio y todas las observaciones que consideres importantes ocurridas en el transcurso del experimento La tercera etapa es tan importante como las dos previas Con tus datos de laboratorio deberaacutes encontrar los paraacutemetros o funciones deseadas Cuidaraacutes en el reporte de tus resultados el anaacutelisis de las incertidumbres y elaboraraacutes pruebas de hipoacutetesis para asignarles los niveles de confianza que correspondan Esto te permitiraacute acotar la validez de tus conclusiones y sugerencias El reporte final es el producto iacutentegro de tu trabajo en cada praacutectica Deberaacutes cuidar que refleje la calidad y la cantidad del trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de tus experiencias asociadas al desarrollo de la praacutectica Por ello deberaacutes incluir la mayor parte de las secciones que se te solicitaron en el pre-reporte pero ahora incorporando tanto las observaciones marcadas por el profesor como los aspectos que ahora despueacutes de haber concluido las actividades manuales de la praacutectica consideres convenientes

Al escribir el reporte final deberaacutes poner eacutenfasis en la claridad para lo cual deberaacutes tener en mente cuaacuteles son los objetivos de la praacutectica y los logros de la misma Ademaacutes deberaacutes resaltar aquellos aspectos que consideras que podriacutean hacer original o distinta la realizacioacuten de tu praacutectica con respecto a lo que podriacutea ser lo usual por ejemplo si usaste un material no convencional o un nuevo sistema soluto-solvente si empleaste alguacuten meacutetodo alternativo para medir alguna variable o si desarrollaste alguna explicacioacuten interesante para alguacuten comportamiento observado que hayas podido comprobar que fue importante para obtener mejoras en tus resultados etc Esto da una idea de la creatividad con la que has abordado la tarea Deberaacutes tener presentes a los potenciales lectores del reporte para que al leerlo reciban la impresioacuten deseada esto es que puedan apreciar el valor de tu trabajo Por ahora esto es importante para que tu evaluacioacuten sea acorde con la calidad de la experiencia adquirida y en el futuro esta habilidad significaraacute mucho para tu desarrollo profesional Otra faceta importante es la realizacioacuten del trabajo en equipo Este es un aspecto importante en tu formacioacuten profesional Un equipo bien integrado discute cada

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una de las actividades toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicaacutendose y discutiendo las diversas experiencias de manera que el reporte resulta un escrito integrado y no meramente un fardo de pequentildeas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser maacutes estimulante cuando hay una buena relacioacuten entre los integrantes del equipo pero auacuten si ese no es el caso el logro de los objetivos deberiacutea ser un aliciente suficiente para llevar a buen teacutermino el trabajo No siempre es posible trabajar uacutenicamente con las personas maacutes afines a nuestra manera de ser

SEGURIDAD

Hay normas de seguridad que deben cumplirse estrictamente para evitar accidentes en el laboratorio que en esta etapa de tu carrera ya debes conocer Este reglamento estaacute disponible para su consulta en el mismo laboratorio y es necesario que esteacutes al corriente de su contenido por lo cual si no lo has leiacutedo o no lo recuerdas es conveniente que lo solicites y comprendas antes de iniciar tu trabajo experimental A manera de un recordatorio mencionaremos a continuacioacuten algunos de los puntos maacutes importantes

1 El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos Para realizar algunas manipulaciones de sustancias quiacutemicas tambieacuten deben usarse guantes lentes protectores y mascarillas Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodoacuten zapatos cerrados con suelas gruesas y sin tacones o plataformas

2 No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio No fumar

3 Operar un instrumento o aparato solamente cuando sabes hacerlo de otra manera solicitar la ayuda del profesor del ayudante o del teacutecnico del laboratorio para adquirir la destreza necesaria

4 Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento seguir el procedimiento adecuado para apagarlo desconectarlo guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia

5 Al concluir una praacutectica levantar todos los instrumentos equipos y accesorios utilizados verificar que todas las tomas de agua gas aire u

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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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QUIacuteMICA

Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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una de las actividades toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicaacutendose y discutiendo las diversas experiencias de manera que el reporte resulta un escrito integrado y no meramente un fardo de pequentildeas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser maacutes estimulante cuando hay una buena relacioacuten entre los integrantes del equipo pero auacuten si ese no es el caso el logro de los objetivos deberiacutea ser un aliciente suficiente para llevar a buen teacutermino el trabajo No siempre es posible trabajar uacutenicamente con las personas maacutes afines a nuestra manera de ser

SEGURIDAD

Hay normas de seguridad que deben cumplirse estrictamente para evitar accidentes en el laboratorio que en esta etapa de tu carrera ya debes conocer Este reglamento estaacute disponible para su consulta en el mismo laboratorio y es necesario que esteacutes al corriente de su contenido por lo cual si no lo has leiacutedo o no lo recuerdas es conveniente que lo solicites y comprendas antes de iniciar tu trabajo experimental A manera de un recordatorio mencionaremos a continuacioacuten algunos de los puntos maacutes importantes

1 El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos Para realizar algunas manipulaciones de sustancias quiacutemicas tambieacuten deben usarse guantes lentes protectores y mascarillas Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodoacuten zapatos cerrados con suelas gruesas y sin tacones o plataformas

2 No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio No fumar

3 Operar un instrumento o aparato solamente cuando sabes hacerlo de otra manera solicitar la ayuda del profesor del ayudante o del teacutecnico del laboratorio para adquirir la destreza necesaria

4 Una vez concluido el uso de un aparato o instrumento seguir el procedimiento adecuado para apagarlo desconectarlo guardarlo y entregarlo al responsable de su custodia

5 Al concluir una praacutectica levantar todos los instrumentos equipos y accesorios utilizados verificar que todas las tomas de agua gas aire u

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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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QUIacuteMICA

Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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otras en el lugar de trabajo esteacuten bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEPRE-REPORTES

Nunca es posible introducir solamente cantidades observablesen una teoriacutea Es la teoriacutea quien decide queacute se

debe observar

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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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QUIacuteMICA

ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Alberto Einstein 1926

ObjetivoEl pre-reporte tiene el objetivo de mostrar que el alumnoa ha realizado el trabajo necesario para efectuar una praacutectica de laboratorio de manera consiente e informada para que la experiencia le resulte estimulante y provechosa logrando establecer un puente entre sus conocimientos teoacutericos del tema y la aplicacioacuten praacutectica de los mismos

Sobre la forma de elaborar el pre-reporteEl pre-reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo Las paacuteginas estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 PortadaEs la primera paacutegina del pre-reporte Deberaacute contener la identificacioacuten completa La Universidad la Carrera la Asignatura la palabra Pre-reporte el nombre de la praacutectica los nombres de los integrantes del equipo el nombre del Profesor y la fecha de entrega del pre-reporte2 IacutendiceSe enumeraraacuten las secciones y sub-secciones con las respectivas paacuteginas de sus inicios3 ObjetivosSe enunciaraacuten en forma breve completa y numerada los objetivos de la realizacioacuten de la praacutectica desde la perspectiva de los integrantes del equipo4 MotivacioacutenSe relataraacute una situacioacuten de intereacutes en la praacutectica de la profesioacuten relacionada con las actividades de la praacutectica de laboratorio a realizar Dicha situacioacuten puede ser la enunciada en el instructivo pero de preferencia otra propuesta por el equipo que refleje su grado de comprensioacuten de los objetivos de la praacutectica asiacute como de su informacioacuten acerca de las actividades que podriacutea realizar en la praacutectica de su profesioacuten

5 Fundamentos teoacutericosEl propoacutesito de esta seccioacuten es desarrollar un modelo que muestre coacutemo es posible obtener la informacioacuten pretendida con el equipo propuesto a partir de la solucioacuten expresada para la propiedad de intereacutes Tendraacute las siguientes sub-secciones

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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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51 El equipoSe describiraacute el equipo principal donde se realiza el proceso de transporte Esto incluiraacute un dibujo con las dimensiones aproximadas y una descripcioacuten de los mecanismos de transferencia en el sistema

52 Fenoacutemeno fiacutesico simplificadoSe identificaraacute y enunciaraacute el mecanismo de transporte dominante en el equipo y se haraacute una representacioacuten idealizada del mismo en un sistema simplificado que se representaraacute en un diagrama incorporando un sistema coordenado y la identificacioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos y los teacuterminos de transporte importantes

53 HipoacutetesisSe estableceraacuten las hipoacutetesis pertinentes que corresponden al modelo fiacutesico simplificado Las hipoacutetesis estaraacuten numeradas y cada una seguida por una justificacioacuten especiacutefica y suficiente que podraacute requerir de anaacutelisis de oacuterdenes de magnitud yo cualitativos Algunas hipoacutetesis que no podraacuten justificarse a priori deberaacuten ser justificadas a partir de los resultados del experimento Esto se anotaraacute en la justificacioacuten y se incluiraacute la justificacioacutena posteriori en el reporte final Algunas de las hipoacutetesis que pudieran ser importantes sona) Geomeacutetricas comobull Un conjunto de partiacuteculas soacutelidas se toman como esferas o cubos perfectos con un diaacutemetro o lado equivalentebull Un tubo muy largo se toma como un cilindro semi-infinitobull La capa liacutemite alrededor de un cilindro con flujo transversal se considera como una capa liacutemite sobre una pared plana cuando el radio del cilindro es mucho mayor que el espesor de la capa liacutemiteb) Sobre las condiciones iniciales y a la frontera comobull El sistema es cerrado (se desprecia la evaporacioacuten de un liacutequido)bull El sistema es aislado (se desprecia el flujo de calor en la pared)bull El liacutequido estaacute en reposobull La presioacuten de vapor es constante en una superficiebull El flujo de calor es constante en una superficiec) Sobre las condiciones de operacioacuten comobull El liacutequido en un recipiente estaacute perfectamente agitadobull Un proceso de transporte ocurre mucho maacutes raacutepidamente que los cambios que se observan en las variables de intereacutes (temperaturas o concentraciones) de modo que es factible proponer que dicho proceso se considere estacionario (verApeacutendice X sobre la elaboracioacuten de modelos quasiestacionarios)

54 Modelo matemaacutetico

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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Se determinaraacuten los sistemas donde se estableceraacuten los balances con sus coordenadas si es procedente Se identificaraacute la notacioacuten para los materiales y las especies (por ejemplo A= el soluto B= el solvente M= fluido manomeacutetrico etc) Se haraacute un diagrama del sistema indicando los flujos y paraacutemetros pertinentes al balance Se indicaraacute que el balance completo se encuentra en el Apeacutendice X y se incluiraacuten los elementos principales del modelo matemaacutetico que son1048633 Las ecuaciones de balance con sus condiciones iniciales yo de frontera numeradas1048633 La solucioacuten correspondiente al sistema de balances1048633 Las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes objetivo de la praacutectica1048633 Si se requiere de una calibracioacuten del equipo el desarrollo que permite conocer el paraacutemetro calibrado a partir de las expresiones para un sistema elegido para calibrar

6 Disentildeo de la praacutecticaEl propoacutesito de esta seccioacuten es determinar los elementos y procedimientos necesarios parael desarrollo de la praacutectica y consta de las siguientes sub-secciones

61 Variables y paraacutemetrosA partir de las expresiones finales para determinar la propiedad de intereacutes se identificaraacuten las variables a ser medidas y los paraacutemetros que es necesario conocer y se propondraacute la manera de adquirir la informacioacuten necesaria de cada uno de los elementos anteriores indicando las fuentes (Referencias) de las correlaciones o valores a usar asiacute como la precisioacuten necesaria (por ejemplo una longitud se requiere en cm mm 01 mm μm u otro nivel de precisioacuten)

62 Eleccioacuten del sistemaCuando es pertinente de acuerdo a las posibilidades del equipo a usar se presentaraacute un conjunto de sustancias de intereacutes candidatas a ser utilizadas como sistema de estudio que por sus propiedades reuacutenan las caracteriacutesticas compatibles con las hipoacutetesis pertinentes requeridas por el modelo Esto puede necesitar algunas estimaciones termodinaacutemicas (por ejemplo de la densidad del aire saturado con un vapor con relacioacuten a la densidad del aire puro para estimar la posibilidad de un efecto de invernadero) cuidando ademaacutes los aspectos de seguridad toxicologiacutea y economiacutea En un Apeacutendice Y se incluiraacute la informacioacuten relativa a cada una de estas sustancias En el texto principal se indicaraacuten las razones para elegir una de las opciones y se definiraacute el sistema Si se requiere una calibracioacuten se elegiraacute tambieacuten el sistema para calibrar indicando las razones de su eleccioacutenEn algunas praacutecticas tenemos poco margen para la eleccioacuten de los materiales por ejemplo cuando los resultados seraacuten uacutetiles como datos para praacutecticas

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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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QUIacuteMICA

Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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posteriores como el coeficiente de difusioacuten de una sal que se disuelve el cual se usaraacute para encontrar una correlacioacuten para el coeficiente de transferencia de masa en otra praacutectica o cuando la cantidad necesaria del material es tan grande que soacutelo el agua o el aire resultan opciones adecuadas como en el flujo en el canal abierto En tales casos la eleccioacuten debe considerar estas razones

63 Hoja de datosEn una hoja completa se elaboraraacute un formato para recabar todos los datos necesarios para la realizacioacuten de la praacutectica Esta hoja contendraacute en su encabezado1048633 El nombre de la praacutectica1048633 La identificacioacuten del equipo que la realiza y la fecha de realizacioacutenAdemaacutes contendraacute los siguientes campos indicando en cada caso las unidades requeridas1048633 Los paraacutemetros estimados1048633 Los paraacutemetros medidos1048633 Las variables medidas con su tabulacioacuten con respecto a las variables independientes (por ejemplo las longitudes o tiempos) de ser necesario asiacute como las repeticiones de las lecturas1048633 Si se requiere una calibracioacuten elaborar los puntos anteriores necesarios para realizarla y repetir los pertinentes para el sistema desconocido (el problema)Hacer una copia de esta hoja de datos para ser entregada al profesor el diacutea que se realice la praacutectica con la informacioacuten experimental y de los paraacutemetros estimados completa64 Equipo y materialesSe haraacute una lista de los equipos e instrumentos necesarios para las mediciones y otra para los materiales indicando las cantidades necesarias65 Desarrollo de la praacutecticaSe describiraacuten en forma secuencial y numerada las actividades a desarrollar durante la realizacioacuten de la praacutectica anotando los aspectos que se consideren importantes para la correcta realizacioacuten de las actividades (por ejemplo cuidar que el nivel de un liacutequido no rebase determinada altura que un instrumento esteacute seco o que un liacutequido se introduzca resbalando por la pared etc)7 ReferenciasTodas las referencias deberaacuten estar mencionadas en alguacuten lugar del texto La manera de mencionarlas seraacute por ejemplo este modelo se encuentra resuelto en Cussler (1984)Correspondiendo a esta mencioacuten en la seccioacuten de referencias se incluiraacuteCussler EL 1984 Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge UniversityPress (Primera edicioacuten)Es decir que un libro referido incluye los siguientes datos en forma ordenada1048633 Apellido e iniciales de los autores (o de los editores)1048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada

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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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1048633 Tiacutetulo del libro (en letra itaacutelica)1048633 Editorial1048633 EdicioacutenSi se trata de un libro colectivo donde los capiacutetulos son escritos por diversos autores y la referencia es de un capiacutetulo en particular se seguiraacute el siguiente orden1048633 Apellido e iniciales de los autores del capiacutetulo151048633 Antildeo de publicacioacuten de la edicioacuten consultada1048633 Tiacutetulo del capiacutetulo (en letra romana)1048633 La palabra En1048633 Tiacutetulo del libro o manual (en letra itaacutelica)1048633 Apellido e iniciales de los editores del libro seguidos de la abreviacioacuten (eds)1048633 Editorial1048633 Edicioacuten8 ApeacutendicesCada Apeacutendice tendraacute un nuacutemero consecutivo y un nombre que indique su contenido y deberaacute estar mencionado en el texto Las ecuaciones llevaraacuten numeracioacuten consecutiva precedida por la letra A por ejemplo (A12) es la ecuacioacuten 12 en los Apeacutendices

INSTRUCTIVO PARA LA ELABORACIOacuteN DEREPORTES

Al inicio uno solamente se pregunta sobre la posibilidad de las cosas y luego uno les reprocha no ser imposiblemente perfectas

Jean Rostand 1962

Ojalaacute y pudieacuteramos al concluir una praacutectica compartir estas palabras de Rostand sin embargo hay muchos aspectos que algunas veces nos impiden demostrar con nitidez la correspondencia entre la teoriacutea y la praacutectica Cuando notamos semejanzas notables entre el comportamiento observado y nuestras predicciones teoacutericas adquirimos mayor certeza para manipular los materiales y para utilizar nuestras predicciones como herramientas de trabajo basadas en los conocimientos adquiridos en la carrera Tambieacuten somos capaces de determinar cuaacuteles son los factores que influyen - y en queacute medida - en las diferencias yo discrepancias entre nuestras teoriacuteas nuestras operaciones de

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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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laboratorio y nuestras observaciones Una praacutectica fallida puede ser una excelente praacutectica si los alumnos son capaces de identificar y evaluar las fuentes de las discrepancias Si es factible una praacutectica fallida deberaacute ser repetida con las mejoras pertinentes

ObjetivoEl reporte final de una praacutectica tiene el objetivo de mostrar que loslas alumnosas del equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus conocimientos teoacutericos del tema de la praacutectica que les ha permitido disentildear el experimento y realizar las mediciones adecuadas que luego han llevado a cabo el tratamiento y el anaacutelisis de sus datos para obtener resultados cuya validez son capaces de delimitar A partir de esta experiencia loslas alumnosas son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacioacuten de la praacutectica o podraacuten alternativamente elaborar una criacutetica fundamentada para demostrar lo inadecuado de las teoriacuteas o de los procedimientos seguidos en la realizacioacuten de la praacutectica de ser el caso

Sobre la forma de elaborar el reporteEl reporte deberaacute contener las secciones que se detallan abajo todas escritas en buen espantildeol e impresas en tipo de letra y estilo uniforme que indiquen un trabajo integrado de equipo entre los alumnos que lo presentan como producto de su trabajo El reporte es un producto final del trabajo realizado en la praacutectica por lo que incluye la mayoriacutea de las secciones ya consideradas en el pre-reporte que para la presentacioacuten de este reporte deben incorporar las mejoras sugeridas por el profesor maacutes las secciones relativas a la realizacioacuten del experimento y el tratamiento posterior de la informacioacuten obtenida Las paacuteginas del reporte estaraacuten numeradas y seguiraacuten la secuencia del siguiente

Contenido1 Portada2 Resumen ejecutivoEs la segunda paacutegina del reporte En forma concisa se informaraacute sobre el objetivo de la praacutectica el equipo y las consideraciones principales del modelo las mediciones y los resultados concluyendo con las limitaciones a la validez de los mismos3 Iacutendice

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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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4 Objetivos5 Fundamentos teoacutericos51 El equipo52 Modelo fiacutesico simplificado53 Hipoacutetesis54 Modelo matemaacutetico6 Disentildeo de la praacutectica61 Variables y paraacutemetros62 Eleccioacuten del sistema63 Hoja de datos64 Equipo y materiales65 Desarrollo de la praacutectica1

7 Realizacioacuten de la praacutectica71 MedicionesSe incorporaraacute una copia de la hoja de datos con la informacioacuten completa de las mediciones originales y de los paraacutemetros yo valores de la literatura indicando si hizo falta o fue inuacutetil alguacuten campo de informacioacuten del formato original propuesto72 ObservacionesSe haraacute una lista de las observaciones de intereacutes a juicio de los integrantes del equipo realizadas durante la realizacioacuten del experimento indicando en queacute reside su intereacutes para la materia de estudio8 Anaacutelisis de datos y resultadosEn esta seccioacuten se haraacute el tratamiento de las mediciones de laboratorio para obtener como resultado los paraacutemetros o funciones propuestas como objetivos especiacuteficos de la praacutectica El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte81 CaacutelculosLa informacioacuten de la hoja de datos se verteraacute en una hoja de Excel y se realizaraacuten las operaciones pertinentes de acuerdo a las expresiones desarrolladas a partir del modelo para encontrar los resultados82 Anaacutelisis estadiacutesticos y resultadosDe acuerdo con las escalas de los instrumentos se incluiraacuten solamente las cifras significativas en los resultados Se haraacute un anaacutelisis estadiacutestico considerando las repeticiones para reportar los resultados finales con sus incertidumbres bajo una prueba de liacutemites de confianza del 9583 GraacuteficasSi es el caso se elaboraraacuten graacuteficas en Excel para las variables dependientes como funciones de las independientes (coordenadas espaciales yo el tiempo) Entonces se graficaraacuten los valores experimentales con sus incertidumbres y se incluiraacute la estimacioacuten teoacuterica del modelo Tambieacuten se incorporaraacuten otras graacuteficas

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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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requeridas a juicio de los alumnos o solicitadas especiacuteficamente en el instructivo de la praacutectica correspondiente84 Discusioacuten y conclusionesSe compararaacuten los resultados obtenidos con otros conocidos ya sea de la literatura o de experimentos realizados previamente por alumnos de grupos anteriores en esta uea Con esta informacioacuten los integrantes del equipo elaboraraacuten sus conclusiones con una actitud criacutetica y autocriacutetica85 Sugerencias y recomendacionesComo resultado de su experiencia los integrantes del equipo propondraacuten aquiacute lo que consideren que puede mejorar la realizacioacuten del experimento9 ReferenciasEn los Apeacutendices se incluiraacuten ademaacutes de los mencionados sobre el desarrollo del modelo y las propiedades de los materiales aquellos que son necesarios para la documentacioacuten completa del trabajo realizado pero cuya inclusioacuten en el texto principal lo hariacutea pesado o distraeriacutea la atencioacuten de la secuencia de ideas hacia discusiones complementarias El contenido de estas secciones se ha indicado en el instructivo del pre-reporte y se incluiraacute en el reporte final considerando las observaciones y discusiones que permiten enriquecer la versioacuten del pre-reporte

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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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PRAacuteCTICA No 1

DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSIacuteMETRO CAPILAR Y CON EL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros capilaresbull Elabore un modelo de flujo en el viscosiacutemetro para determinar la viscosidadbull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro para calibrarlo y para determinar la viscosidadde un liacutequido newtoniano a distintas temperaturasbull Determine la dependencia de la viscosidad del liacutequido con la temperaturaMOTIVACIOacuteNUn aceite newtoniano se alimenta por gravedad a una maquinaria En el invierno la temperatura ambiente disminuye de modo que el flujo del aceite puede ser insuficiente para la lubricacioacuten requerida El ingeniero sugiere calentarlo en la misma tuberiacutea con una cinta de calentamiento iquestCuaacutel seriacutea la temperatura miacutenima que proporcione un flujo adecuadoEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dos bulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo (bulbo C) El liacutequido se introduce por el extremo amplio hasta llenar unas frac34 partes del bulbo inferior Con una perilla se succiona el liacutequido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior se encuentra llenando el bulbo A en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estaacute cerca del fondo del mismo Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad Se mide el tiempo en el que se vaciacutea el bulbo B desde su marca superior hasta su marca inferior Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad del liacutequido

PREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido newtoniano2 iquestQueacute es el coeficiente de viscosidad3 iquestQueacute establece la ley de Hagen-Poiseuille4 iquestCoacutemo se determina el flujo volumeacutetrico en el capilar5 iquestCuaacutel es la diferencia de presioacuten6 iquestCoacutemo afecta la inclinacioacuten del tubo capilar en la medicioacuten de la viscosidad

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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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7 iquestPorqueacute es importante llenar el bulbo A al iniciar el experimento8 iquestQueacute paraacutemetros geomeacutetricos del viscosiacutemetro son importantes para determinar la viscosidad9 iquestCoacutemo pueden aglutinarse los paraacutemetros geomeacutetricos y los cambios en la diferencia de presioacuten en un coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro10 iquestEl coeficiente de calibracioacuten depende de la temperatura11 iquestPor queacute es importante mantener el aacutengulo de inclinacioacuten del capilar en la calibracioacuten y en la medicioacuten de las _viscosidades desconocidas

DESARROLLO PROPUESTOSe tendraacute un conjunto de bantildeos teacutermicos a diferentes temperaturas para la realizacioacuten de esta praacutectica1 Lavar y limpiar el viscosiacutemetro con un solvente adecuado y secarlo con aire limpio2 Introducir el liacutequido en el bulbo C con una pipeta por el extremo amplio3 Introducir el viscosiacutemetro en el bantildeo teacutermico adecuado a la temperatura deseada y esperar unos 10 minutos a que la temperatura se equilibre4 Cargar el bulbo A por succioacuten con la perilla5 Quitar la perilla6 Tomar el tiempo de flujo entre las marcas del bulbo B7 Repetir los pasos 4 a 6 dos veces como miacutenimo para garantizar la reproducibilidad de los resultados8 Efectuar los pasos 1 a 7 para un liacutequido de viscosidad conocida para encontrar la constante de calibracioacuten a diferentes temperaturas y luego para un liacutequido de viscosidad desconocida

RESULTADOS1 Determina el coeficiente de calibracioacuten del viscosiacutemetro y verifica si depende de la temperatura2 Haz una graacutefica del coeficiente de viscosidad como funcioacuten de la temperatura y encuentra una correlacioacuten polinomial empiacuterica para el mismo3 Compara tus resultados con datos de la literatura y explica a queacute pueden deberse las posibles diferencias

REFERENCIASBird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte Reverte

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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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DETERMINACIOacuteN DE LA VISCOSIDAD APARENTECON UN VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

OBJETIVOSQue ella alumnoabull Comprenda los principios del funcionamiento de los viscosiacutemetros rotatoriosbull Elabore un modelo de flujo para un viscosiacutemetro rotatoriobull Maneje adecuadamente el viscosiacutemetro de Brookfield para determinar la viscosidadaparente de un liacutequido no-newtonianobull Identifique el comportamiento reoloacutegico a reacutegimen estacionario del liacutequido elegidoMOTIVACIOacuteNSe debe trasladar una melaza de un tanque de almacenamiento a la planta de procesamientoSe requiere calcular la potencia y el tipo de la bomba a usar asiacute como el diaacutemetro de la tuberiacuteay la curvatura de los codosEQUIPO PRINCIPALEl viscosiacutemetro de Brookfield es un viscosiacutemetro rotatorio Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja Eacutesta se sumerge en el liacutequido hasta el nivel marcado en la misma Al funcionar el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal La torca o par generado por la resistencia viscosa del liacutequido se puede leer en una escala situada tambieacuten en el cabezal para lo cual se presiona una palanca llamada ldquoclutchrdquo la cual acopla una aguja deflectora a la escala La

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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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deflexioacuten leiacuteda es proporcional a la torca En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosiacutemetro de BrookfieldPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es un fluido no-newtoniano2 iquestQueacute es el paraacutemetro de esfuerzos τ y queacute el paraacutemetro de rapidez de deformacioacuten γ3 iquestQueacute es la funcioacuten de viscosidad aparente η4 iquestQueacute es la torca sobre un cilindro que gira5 iquestCuaacuteles son las relaciones de comportamiento maacutes usadas para fluidos no-newtonianosa reacutegimen estacionario6 iquestQueacute es el nuacutemero de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias247 iquestQueacute diferencia a un fluido pseudoplaacutestico de uno dilatante y coacutemo se reconocen en una graacutefica de τ vs γ8 iquestPorqueacute no es faacutecil encontrar una solucioacuten analiacutetica del modelo para un viscosiacutemetro de Brookfield9 iquestCoacutemo se resuelve en la praacutectica el problema de la falta de una solucioacuten analiacutetica al modelo del viscosiacutemetro de Brookfield

CabezalEscala deClutch deflexioacutenSoporteDado selectorBurbuja de nivelAgujaMarca de nivel del liacutequido o discoHorquilla

DESARROLLO PROPUESTO1 Lee el Apeacutendice A III que contiene informacioacuten sobre el manejo del viscosiacutemetro deBrookfield2 Al inicio asegura la aguja al eje inferior levantando ligeramente el eje y sostenieacutendolo firmemente con una mano mientras enroscas la aguja con la otra3 Introduce la aguja en el liacutequido de prueba hasta que su nivel esteacute en la marca que la aguja tiene para este propoacutesito Puede ser maacutes conveniente introducir primero la aguja en el liacutequido antes de asegurarla al eje inferior del cabezal Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el liacutequido4 Selecciona la velocidad angular maacutes baja en el dado selector5 Verifica que el viscosiacutemetro esteacute nivelado mediante la burbuja de nivel

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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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QUIacuteMICA

ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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6 Enciende el aparato y espera que se alcance el reacutegimen estacionario El tiempo requerido para esta operacioacuten depende de la velocidad angular por arriba de 4 rpm bastaraacuten unos 20 oacute 30 segundos a velocidades menores espera una vuelta completa del cuadrante7 Presiona el ldquoclutchrdquo de manera que la aguja indicadora quede en la zona visible de la mirilla de la escala Si la aguja se estaciona fuera de la escala aumenta la velocidad angular8 Toma los datos de la deflexioacuten αt de la velocidad angular N (en rpm) y del disco usado9 Repite los pasos 7 y 8 dos veces para tener una estimacioacuten estadiacutestica del error de la lectura10 Saca el disco del liacutequido y caacutembialo por el siguiente repitiendo los pasos 2 a 9

TRATAMIENTO DE LAS LECTURAS OBTENIDAS CON EL VISCOSIacuteMETRO

1 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad kαt que permite transformar los valores leiacutedos en la escala de deflexioacuten αt a esfuerzos cortantes τ enPa por medio de la relacioacutenτ = kαt αt

En la Tabla 1 se encuentran los valores de estos coeficientes de proporcionalidad2 Los pares de valores (Nτ) se grafican en escalas log-log3 Si el trazo de la graacutefica es cercano a una funcioacuten lineal se hace el ajuste a una liacutenea recta cuya pendiente es igual al iacutendice de flujo del fluido n4 Si el trazo de la graacutefica no es una funcioacuten lineal se hace necesario linealizar dicha funcioacuten es decir se requiere desarrollar una serie de Taylor para la funcioacuten (log τ) en teacuterminos del (log N) alrededor del punto (log τ = 0 log N = 0) Si esta serie de Taylor se corta al primer teacutermino se tiene una liacutenea recta cuya pendiente es n = d(log τ)d(log N) donde n es el iacutendice local de flujo del fluido [alrededor del punto (00)]5 Cada disco tiene asociado un coeficiente de proporcionalidad knγ que depende del iacutendice n o del iacutendice local n y permite transformar los valores de N a rapidez de deformacioacuten γ en s-1 por medio de la relacioacuten

γ = knγ N

Numero de disco 1 2 3 4 5 6 7ndarr 0035 0119 0279 0539 105 235 8401 1728 1431 1457 1492 1544 1366 193602 0967 0875 0882 0892 0907 0851 1007

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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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QUIacuteMICA

ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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03 0705 0656 0656 0658 0663 0629 068104 0576 0535 0530 0529 0528 0503 051505 kαt 0499 0458 0449 0445 0442 0421 041306 0449 0404 0392 0387 0382 0363 034607 0414 0365 0350 0347 0338 0320 029708 0387 0334 0317 0310 0304 0286 026109 0367 0310 0297 0283 0276 0260 023210 0351 0291 0270 0262 0254 0238 0209

Tabla 1 Factores de conversioacuten del viscosiacutemetro de Brookfield

RESULTADOS

1 Elabora un modelo para el viscosiacutemetro de Brookfield2 Elabora y resuelve el modelo para un viscosiacutemetro rotatorio de cilindros conceacutentricos considerando un fluido no-newtoniano en general (es decir para la torca como funcioacuten de la velocidad angular) Ver el desarrollo de Slattery 19823 Elabora una hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro rotatorio4 Elabora tu hoja de datos de laboratorio para el viscosiacutemetro de Brookfield5 Elabora una graacutefica de τ vs γ y discute sobre su semejanza con el comportamiento de los principales tipos de fluidos no-newtonianos6 Determina la dependencia de la viscosidad aparente η con respecto a γ

REFERENCIAS Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Fenoacutemenos de Transporte ReverteBrookfield Synchro-letric Viscometer iquest Manual de OperacionesLevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMitschka P 1982 Simple conversioacuten of Brookfield RTV readings into viscosity functionsRheologica Acta 21 207-209Slattery JC 1972 Fundamentals of Momentum Heat and Mass transfer in Continua McGraw Hill

MANEJO DEL VISCOSIacuteMETRO DE BROOKFIELD

I- PRINCIPIOS DE OPERACION

El viscosiacutemetro Syncchro-Letric es un cilindro o un disco que gira por medio del cual se mide el esfuerzo de rotacioacuten para vencer la resistencia viscosa producida por el movimiento

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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Esto se logra por medio del manejo del elemento de inmersioacuten llamado uso o aguja (en ingleacutesspindle) a traveacutes de un resorte de berilio-cobre el cual es presionado a cierto grado indicado por la posicioacuten dela liacutenea roja en la pantalla del viscosiacutemetro la marca es proporcional a la viscosidad del fluido para cualquier velocidad y agujaEl viscosiacutemetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexioacuten del resorte (torcimiento) La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y eacutesta se relaciona con el tamantildeo y la formaPara un material de una viscosidad dada la resistencia al avance seraacute mayor como mayor sea la aguja yo el incremento de la velocidad rotacional El rango miacutenimo de viscosidad se obtiene con la aguja maacutes grande a la mayor velocidad El maacuteximo rango se obtiene con la aguja maacutes pequentildea a la menor velocidadLas mediciones con la misma aguja a diferentes velocidades se usan para detectar y evaluar propiedades reoloacutegicas del material a prueba

II- CARACTERISTICAS MECAacuteNICAS

El viscosiacutemetro trabaja por medio de un inductor ldquoSynchronousrdquo tipo motor Las velocidades exactas de rotacioacuten ocurren con el motor con solo cambiar radical y espasmoacutedicamente el sincronizador el interruptor se encuentra a un lado en el cabezal del viscosiacutemetroHay dos tipos de viscosiacutemetros los de cuatro y los de ocho velocidades Los viscosiacutemetros de cuatro velocidades tienen una perilla cuadrada con el control de velocidades muestra un nuacutemero en cada una de sus cuatro caras La velocidad a que gira el instrumento es la que se indica en la cara superior de la perillaLos modelos de ocho velocidades tienen un control de velocidades (perilla cuadrada) con dos nuacutemeros en cada cara por movimiento de la perilla a traveacutes de los dos cambios de velocidad puede cambiar la secuenciaNo se presentan problemas en las dos diferentes velocidades que se muestran en cada cara porque cada cara esta en el radio de 201

Redaccioacuten Por seguridad en la velocidad indicada en la perilla de velocidades se debe verificar que sea cercano y paralelo al registrado en la pantalla del viscosiacutemetro esto no es absolutamente necesario soacutelo es recomendable cuando se cambian las velocidades que el motor este funcionandoLos viscosiacutemetros con modelos LV estaacuten provistos de iquest iquest con un adaptador para cuatro agujas y una guarnicioacuten estrecha para la aguja El modelo RV esta provisto de siete agujas y una guarnicioacuten ancha para las agujas

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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Los modelos HA y HB estaacuten provistos con siete agujas y sin guarnicioacuten En todos los modelos las agujas se aseguran en el viscosiacutemetro atornillaacutendolos en el eje Todos cuentan con unacuerda izquierda la parte inferior o el eje se debe de sostener con una mano y la aguja atornillarla a la izquierdaLa parte inferior del eje debe estar limpia y con una superficie lisa para impedir la rotacioacuten exceacutentrica de la agujaTodos los viscosiacutemetros Brookfield tienen una velocidad tope mayor a 10 rpm y estaacuten provistos con una palanca llamada ldquoclutchrdquo Al presionar la palanca se levanta el cuadrante hacia el indicador y sostenieacutendolo se hace la lecturaCuando el ldquoclutchrdquo se libera el cuadrante vuelve a bajar y gira nuevamente Cualquiera de los tres controles del viscosiacutemetro el interruptor del motor la perilla del cambio de velocidades y el ldquoclutchrdquo puede ser operado independientemente de los otros dosLa agarradera manual removible u horquilla se puede retirar cuando es conveniente por medio de su tuerca Este disentildeo permite que se pueda utilizar una base riacutegida de metal

III- OPERACIOacuteN

a) Asegure la aguja al eje inferior lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra Debe tener cuidado para evitar un dantildeo al alinear la aguja y la cuerdab) b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esteacute en la marca del eje de la agujac) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersioacuten para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie (Se puede encontrar maacutes conveniente hacer la inmersioacuten de la aguja antes de asegurarla en el viscosiacutemetro)d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba mientras se une con el viscosiacutemetro pues esto puede dantildear la alineacioacuten del ejee) Nivele el viscosiacutemetro la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en estof) Presione el ldquoclutchrdquo y encienda el motor del viscosiacutemetro Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el ldquoclutchrdquo a este punto se preveacute un desgaste innecesario Libere el ldquoclutchrdquo y permita que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posicioacuten elegida en el cuadranteg) El tiempo requerido para la estabilizacioacuten depende de la velocidad a la cual la aguja este girando a las velocidades arriba de 4 rpm esto generalmente ocurriraacute aproximadamente de 20 a 30 segundos Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolucioacuten del cuadrante

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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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h) Es posible observar la posicioacuten del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira pero a altas velocidades seraacute necesario presionar el ldquoclutchrdquo y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista Un poco de praacutectica seraacute necesario para detener el cuadrante en el punto exacto Si requiere las lecturas encienda el instrumento presionando el ldquoclutchrdquo y reteniendo la lectura original para luego liberarlo Esto reduce la oscilacioacuten del indicador si el indicador no se estabiliza puede haber alguacuten problema con la temperatura del material de prueba

IV- INFORMACION DE CALIBRACIOacuteN

Los viscosiacutemetros Brookfield estaacuten calibrados para valores estaacutendar basados en los instrumentos usados en recipientes de 600 cc Si el viscosiacutemetro se usa en recipientes maacutes grandes los rangos de las agujas 1 y 2 en las mediciones estaraacuten ligeramente incrementadosSi se desea usar agujas en recipientes maacutes grandes que los especificados seraacute necesaria una correccioacuten en los factores estabilizadores si se requieren los valores con mayor exactitud la libreta original redacta estos problemas

V- REPARACION Y SERVICIO

Esta compantildeiacutea mantiene una existencia de temporada de refacciones para viscosiacutemetros que pueden ser usados para reposicioacuten de cualquier instrumento con propoacutesito de reparacioacutenLa reparacioacuten y servicio solo puede hacerse por personal especializado de BROOKFIELD ENGINERING LAB INC240 CLUSHING STSTOOGHTON MASSACHUSETES 02072

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PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 24: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

PRACTICA 2

DIFUSION MOLECULAR EN LIQUIDOS-No de Reynolds

PROBLEMA

Determinar el coeficiente de difusioacuten y la cantidad transferida de anilina en agua en reacutegimen laminar y turbulento

OBJETIVOSQue lael alumnoa Determinar los coeficientes de difusioacuten de masa para un sistema agua-anilina y visualizar las caracteriacutesticas de circulacioacuten de fluiacutedos en reacutegimen laminar y turbulento

MOTIVACION

Investigacioacuten experimental Recibe este nombre la investigacioacuten que obtiene su informacioacuten de la actividad intencional realizada por el investigador y que se encuentra dirigida a modificar la realidad con el propoacutesito de crear el fenoacutemeno mismo que se indaga y asiacute poder observarlo

MARCO TEOacuteRICO

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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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El transporte molecular ocurre en los tres estados de agregacioacuten de la materia y es el resultado de un gradiente de concentracioacuten temperatura presioacuten o de aplicacioacuten a la mezcla de un potencial eleacutectrico

A la transferencia macroscoacutepica de masa independiente de cualquier conveccioacuten que se lleve a cabo dentro de un sistema se define con el nombre de difusioacuten molecular u ordinaria

El transporte molecular resulta de la transferencia de moleacuteculas individuales a traveacutes de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moleacuteculas debido a su energiacutea interna Podemos imaginar a las moleacuteculas desplazaacutendose en liacuteneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su direccioacuten al rebotar con otras moleacuteculas despueacutes de chocar Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en direccioacuten Las moleacuteculas se desplazan en trayectorias desordenadas y recorren distancias extremadamente cortas antes de chocar con otras y ser desviadas al azar A la difusioacuten molecular a veces se le llama tambieacuten proceso de camino desordenado

El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases liacutequidos y soacutelidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de estos tres estados fiacutesicos

Gases

Los gases contienen relativamente pocas moleacuteculas por unidad de volumen Cada moleacutecula tiene pocas moleacuteculas vecinas o cercanas con las cuales puede interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente deacutebiles las moleacuteculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moleacuteculas El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoriacutea cineacutetica de los gases

Liacutequidos

Los liacutequidos contienen una concentracioacuten de moleacuteculas mayor por unidad de volumen de manera que cada moleacutecula tiene varias moleacuteculas vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores Como resultado el movimiento molecular se restringe maacutes en un liacutequido La migracioacuten de moleacuteculas desde una regioacuten hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases Las moleacuteculas de un liacutequido vibran de un lado a otro sufriendo con frecuencia colisiones con las moleacuteculas vecinas

Soacutelidos

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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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En los soacutelidos las moleacuteculas se encuentran maacutes unidas que en los liacutequidos el movimiento molecular tiene mayores restricciones En muchos soacutelidos las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moleacuteculas en una distribucioacuten fija que se conoce como red cristalina

Difusividades en liacutequidos

La velocidad de difusioacuten molecular en liacutequidos es mucho menor que en gases Las moleacuteculas de un liacutequido estaacuten muy cercanas entre si en comparacioacuten que las de un gas la densidad y la resistencia a la difusioacuten de un liacutequido son mucho mayores por tanto las moleacuteculas de A que se difunden chocaraacuten con las moleacuteculas de B con maacutes frecuencia y se difundiraacuten con mayor lentitud que en los gases Debido a esta proximidad de las moleacuteculas las fuerzas de atraccioacuten entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusioacuten En general el coeficiente de difusioacuten de un gas es de un orden de magnitud de unas diez veces mayor que un liacutequido

En la difusioacuten de liacutequidos una de las diferencias maacutes notorias con la difusioacuten en gases es que las difusividades suelen ser bastante dependientes de la concentracioacuten de los componentes que se difunden

El fenoacutemeno de la difusioacuten molecular conduce finalmente a la concentracioacuten completamente uniforme de sustancias a traveacutes de una solucioacuten que inicialmente pudo haber sido uniforme La difusividad o coeficiente de difusioacuten D AB de un componente A en una solucioacuten B que es una medida de la movilidad de difusioacuten se define como la relacioacuten de flux JA y su gradiente de concentracioacuten la expresioacuten anterior es conocida como la ley de Fick

Cuando entre dos partiacuteculas en movimiento existe gradiente de velocidad o sea que una se mueve maacutes raacutepido que la otra se desarrollan fuerzas de friccioacuten que actuacutean tangencialmente a las mismas Las fuerzas de friccioacuten tratan de introducir rotacioacuten entre las partiacuteculas en movimiento pero simultaacuteneamente la viscosidad trata de impedir la rotacioacuten Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se puede producir diferentes estados de flujo

Cuando el gradiente de velocidad es bajo la fuerza de inercia es mayor que la de friccioacuten las partiacuteculas se desplazan pero no rotan o lo hacen pero con muy poca energiacutea el resultado final es un movimiento en el cual las partiacuteculas siguen trayectorias definidas y todas las partiacuteculas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria Este tipo de flujo fue identificado por OReynolds y se denomina ldquo Laminarrdquo queriendo significar con ello que las partiacuteculas se desplazan en forma de capas o laacuteminas

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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la friccioacuten entre partiacuteculas vecinas al fluido y estas adquieren una energiacutea de rotacioacuten apreciable la viscosidad pierde su efecto y debido a la rotacioacuten las partiacuteculas cambian de trayectoria Al pasar de unas trayectorias a otras las partiacuteculas chocan entre siacute y cambian el rumbo en forma erraacutetica Este tipo de flujo se le denomina turbulento

Reynolds se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento siendo que este uacuteltimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no la primera idea que se le ocurrioacute fue visualizar con colorantes Construyoacute con un tubo de vidrio de 6 mm de diaacutemetro un sifoacuten ABC con una entrada abocinada en A y vaacutelvula de control en C que llenoacute de agua e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V Por otro lado instaloacute un depoacutesito de liacutequido coloreado D provisto de un tubo EF tambieacuten de 6 mm terminado en una angosta boquilla coacutenica que penetraba en el centro de la boca A El suministro de este liacutequido se controlaba por medio de la pinza P

Graacutefico 1 Representacioacuten del experimento de ReynoldsLuego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas para asegurarse que todo movimiento interno cesara se abriacutea poco a poco la pinza

El liacutequido colorado saliacutea de la boquilla F primero adquiriendo la forma de la llama de una vela luego alargaacutendose hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desaguumle por C se extendiacutea por todo el sifoacuten A la vaacutelvula C se le daban aperturas siempre mayores para que aumentara la velocidad del agua en el sifoacuten y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante a fin de que el filete se mantuviera visible

Contrariamente a lo previsto con la maacutexima abertura de la vaacutelvula este uacuteltimo se manteniacutea todaviacutea perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente Se prolongo el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun mas la velocidad pero nada el filete no se alteraba en lo maacutes miacutenimo

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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

79

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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EQUIPO PRINCIPAL

MATERIAL PARA LA TOMA DE MUESTRAS

Material CantidadVaso de precipitados de 50 ml 5Vaso de precipitados de 10 ml 5Frasco de plaacutestico para el almacenamiento de las muestras

10

MATERIAL PARA EL ANAacuteLISIS DE LAS MUESTRAS

Material CantidadMatraz Erlenmeyer de 50 ml 7Balanza analiacutetica 1Vidrio de reloj 1Piseta 1Vaso de precipitados de 100 ml 1Celdas de vidrio 2Pipeta volumeacutetrica (1 2 3 y 4 ml) 1 de cada unaMicropipeta 20-200 microlitros 1 EQUIPO

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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Nombre CantidadEspectrofotoacutemetro 1Equipo de Reynolds 1

REACTIVOS

Nombre CantidadAnilina 10 g

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La primera consideracioacuten para usar este prototipo fue considerar los flujos que se trabajariacutean y el nuacutemero conveniente de muestras que se tomariacutean debido a que el tanque de alimentacioacuten tiene un tamantildeo limitado pero suficiente para el propoacutesito Una vez hechas estas consideraciones se coloco la sustancia a difundirse (solucioacuten de anilina 13000 ppm) en el contenedor reservado para este fin cercioraacutendose que el fluido circulara bien antes de llenar con agua la tuberiacutea principal una vez estabilizados los flujos se inicio la medicioacuten del tiempo el flujo y se inicio la toma de muestras Para la medicioacuten del flujo se utilizo un contenedor grande el cual se cubicoacute por medio de contenedores graduados Una vez tomadas las muestras se llevaron al laboratorio para su anaacutelisis y caacutelculos

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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Graacutefico 2 Diagrama de Flujo del dispositivo experimental

PARTE 3 CUANTIFICACIOacuteN DE ANILINA EN LAS MUESTRAS RECOLECTADAS

a) Preparacioacuten de la curva de calibracioacuten

Para llevar a cabo la preparacioacuten de la curva de calibracioacuten se lleva a cabo una estimacioacuten de la concentracioacuten de la solucioacuten de anilina preparada para llevar a cabo las corridas experimentales en el LEM para la cual se pesaron 1300 mg que se llevaron a marca de aforo en un matraz volumeacutetrico de 100 ml por lo cuaacutel se tiene una concentracioacuten de 13 000 ppm la cual es nuestra concentracioacuten inicial

Posteriormente para encontrar el rango de la curva de calibracioacuten se llevo a cabo la estimacioacuten de las concentraciones teoacutericas dado el efecto de la dilucioacuten y tomando

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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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en cuenta el desplazamiento marcado por el recipiente que conteniacutea la solucioacuten de anilina de 13 000 ppm de lo anterior se obtuvieron los siguientes resultados

Variable independien

te

Reacutegimen Concentracioacuten inicial (ppm)

Vol Desplazado

de la solucioacuten de anilina

(ml)

Vol Total de agua

(ml)

Concentracioacuten teoacuterica (ppm)

Volumen LaminarVolumen TurbulentoTiempo LaminarTiempo Turbulento Tabla No 1 Determinacioacuten teoacuterica de las concentraciones

Por lo cual se establecioacute un rango para la curva de calibracioacuten desde 5 10 20 30 y 40 ppm de anilina para lo anterior se preparo una solucioacuten de 250ppm de anilina a partir de la cual se prepararon las diluciones necesarias para cada sistema la concentracioacuten se propuso con base a los materiales a los cuales se tiene acceso asiacute como las limitaciones de estos por ejemplo sabemos que la balanza analiacutetica tiene como limite de peso exacto 20 mg para dicha solucioacuten se utilizo una masa de 25 mg para 100 ml de solucioacuten

Pata llevar a cabo la medicioacuten de las absorbancias se utilizo agua como blanco

Antes de llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se realizo un barrido para encontrar la mejor longitud de onda utilizando la solucioacuten de menor concentracioacuten es decir la solucioacuten de 10 ppm

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Al llevar a cabo las corridas experimentales es posible observar como al regular el flujo de menos a mas se experimenta un cambio en el comportamiento del fluido

Variable independiente

Regimen Flujo Volumetrico (Lh)

Observaciones

Volumen Laminar Al inicio se observan

laminillas de color morado

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 32: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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Volumen Turbulento En este caso se observa un

aumento en el numero remolinos

y una homogenizacioacuten

mas rapidaTiempo Laminar Ademas de

laminas despueacutes de cierto tiempo

se observa la formacioacuten de una

parabolaTiempo Turbulento Se observan

pequentildeos remolinos y la no

existencia de laminas

Tabla No 2 Observaciones de las diferentes corridas

Del primer caso es posible demostrar que los fluidos en el regimen laminar se transportan en forma de laminas y es posible observar su perfil de velocidad al formarse la parabola que define dicho regimen

Mientras que por el caso del regimen turbulento se comprueba que este no sigue ningun comportamiento definido que se describa dicho regimen dado que la formacioacuten de remolinos es inconsistente y de geometriacutea irregular

Del barrido mencionado con anterioridad se obtuvieron los siguientes datos

Longitud de onda (nm)

Abs

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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Tabla No 2 Determinacion de la longitud de onda

De lo anterior se determino que la mejor longitud de onda para llevar a cabo las mediciones de la absorbancia es a 580nm

Despueacutes de esto ya fue posible llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras obtenidas en el LEM

Anaacutelisis de las muestras se obtenidas

Al llevar a cabo las mediciones de las diferentes muestras se obtuvieron resultados de absorbancia los cuales se transforman a valores de concentracioacuten por medio de la curva de calibracioacuten esto se hace graficando Absorbancia contra la concentracioacuten como la muestra grafico No 3 posteriormente se obtiene la ecuacioacuten de la curva por medio de regresioacuten lineal esto se debe a que la absorbancia presenta el siguiente comportamiento

y = mx + b

Donde y es la variable dependiente en nuestro caso la absorbancia x la variable independiente es decir la concentracioacuten y m es la pendiente que describe la variacioacuten de la absorbancia respecto a la concentracioacuten y b es la interseccioacuten al eje por lo tanto la ecuacioacuten se transforma a Abs = mC(ppm)+b

De donde se despejo la concentracioacuten es decir se lleva a acabo una interpolacioacuten sobre la ecuacioacuten que describe dicha curva

Abs - b C (ppm) = ----------------

m

RESULTADOS DE LA CURVA DE CALIBRACION

Sistemas Conc De Anilina (ppm) Absorbancia experimental

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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Tabla No4 Curva de calibracioacuten

Una vez obtenidos los valores de las concentraciones es posible determinar el coeficiente de difusioacuten de A en B en un sistema binario DAB el caacutelculo de tal se realizoacute por medio de la ecuacioacuten de Wilke y Chang

DAB = 74x 10-8 (oslashMB)12 T microBVA

06

Donde DAB es el coeficiente de difusioacuten de A en B que esta dado cm2s oslash es el paraacutemetro de asociacioacuten de solvente B que es adimensional MB peso molecular de B en gmol T temperatura K microB viscosidad de B en cP y VA volumen molar del

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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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soluto cm3g mol las dimensiones de dichas unidades no son congruentes por eso se agrega el factor de 74x 10-8

Al realizar el calculo de VA volumen molar del soluto cm3g mol se utilizoacute la tabla 29 del libro ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea donde el resumen de los datos utilizados se resumen en la tabla No 5

Elemento Cantidad Incrementos aditivos d Vol

Incrementos Total

Carbono 6 148 888Nitroacutegeno 1 105 105Hidroacutegeno 12 37 444Anillo de 6 miembros

1 -15 -15

TotalCm3mol

1287

Tabla No 5 Incrementos aditivos del volumen para el calculo del volumen molarPara calcular la cantidad de masa transferida se lleva a cabo mediante la siguiente ecuacioacuten

NA= DAB [ CA1-CA2 ] Z

Donde NA es la masa transferida en molm2 s donde DAB esta dado por m2 s Z es la distancia que recorre la solucioacuten CA1 y CA2 son las concentraciones del componente A en dos planos separados Antes de aplicar esta foacutermula se llevaron a cabo las conversiones necesarias como lo indicado en las tablas siguientes

DatosPM de la anilina 9313 gmol

Distancia (Z) 136mConcentracioacuten inicial 139589821 molm3

Concentracioacuten inicial 1300 ppmVolumen molar 1287cm3molTemperatura 29815 degK

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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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PM Agua 18 gmolOslash(agua) 26

Viscosidad 0891 cpTabla No 6 Propiedades de los reactivos

DAB (cm2s) 91868E-6

DAB (m2s) 91868E-10

Tabla No 7 Valores calculados en DAB para la anilina

Al comparar los resultados obtenidos en la tabla No 7 con los reportados en la literatura se tiene que el valor del coeficiente de difusioacuten es de 92 E -6 cm2s citado en el libro de ldquoSherwood Thomas Mass Transferrdquo citado en la bibliografiacutea es posible determinar que los resultados obtenidos en este punto presentan gran congruencia con lo reportado esto demuestra que el tratamiento de los datos fue el adecuado

De los resultados establecidos en las tablas No 6 y No 9 es posible determinar que la cantidad de masa transferida es constante las concentraciones resultantes son pequentildeas debido al poco tiempo que se dio para que se llevara a cabo la difusioacuten liacutequido-liacutequido

Ademaacutes con la ayuda de estas tablas es posible realizar una comparacioacuten entre los flujos laminar y turbulento donde se observa que a un tiempo determinado e igual en ambos casos las concentraciones en reacutegimen turbulento son mayores esto debido a que la agitacioacuten favorece la difusioacuten

RESULTADOS

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

Concentracioacuten

Molar

Concentracioacuten

Molm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 8 Determinacioacuten de las concentraciones a volumen constante

FLUJO LAMINARVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

FLUJO TURBULENTOVARIABLE INDEPENDIENTE VOLUMEN

Sistema

AbsorbanciaExperimental

Concentracioacuten de

Anilina(ppm)

ConcentracioacutenMolar

ConcentracioacutenMolm3

Vol(L)

T(s)

Na (molm2-s)

123456

Tabla No 9 Determinacioacuten de las concentraciones en cada sistema

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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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QUIacuteMICA

PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

TREYBAL ER ldquoOperaciones de transferencia de masardquo 2ordf Edicioacuten McGrawHill Meacutexico 2005

SHERWOOD Thomas K PIGFORD Robert L WILKE Charles R ldquoMass Transferrdquo International Student Edition McGraw-Hill Tokio Japan 1975

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA a

AGITACIOacuteN DE LIacuteQUIDOS EN UN TANQUE

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Desarrolle un modelo teoacuterico para la agitacioacuten en tanques y lo exprese en teacuterminos devariables adimensionales (Problema 6N de Bird et al 1981)bull Determine la relacioacuten entre la potencia de agitacioacuten y el movimiento del fluido en untanque agitadoMOTIVACIOacuteNSe conoce la curva de potencia el torque de la flecha de un agitador las propiedades del fluidoy el nuacutemero de Reynolds miacutenimo requerido para tener un buen mezclado iquestCoacutemo puedodeterminar si el agitador es apropiado

EQUIPO PRINCIPAL

Un tanque agitado con deflectores un aparato para medir el consumo de potencia a las

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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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velocidades angulares que se elijan y un conjunto de flechas y agitadores de diversos tipos

PREGUNTAS GUIacuteA

1 iquestQueacute objetivos se pretenden en la industria al agitar fluidos2 iquestCuaacuteles son los principales tipos de agitadores y cuaacuteles sus usos3 iquestQueacute es el nuacutemero de potencia para un tanque agitado4 iquestQueacute es una curva de potencia de un agitador5 iquestCuaacuteles son las regiones de una curva de potencia6 iquestCoacutemo puede definirse un nuacutemero de Froude para analizar coacutemo depende la potenciacon respecto al nivel de liacutequido en el tanque7 iquestCoacutemo puede analizarse el efecto de la profundidad a la que se inserta el agitador conrespecto a la potencia y a la eficiencia de la agitacioacuten

DESARROLLO PROPUESTO

1 Se vierte el liacutequido seleccionado hasta una cierta altura del tanque2 Se introduce el agitador seleccionado midiendo la profundidad de su insercioacuten3 Se acciona el agitador a reacutegimen estacionario4 Se determina la velocidad angular (RPM) y el torque (milivolts)5 Se cambia la velocidad angular y se repite el paso 46 Se cambia de agitador y se repiten los pasos 2 a 5

RESULTADOS

1 Hacer las curvas de potencia para tres agitadores de tipos diversos (propela paleta yturbina) en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds2 Para uno de los tres agitadores analizar el efecto de la masa de fluido agitadodefiniendo un nuacutemero de Froude apropiado3 Para otro de los agitadores analizar el efecto de la profundidad de inmersioacutendefiniendo un paraacutemetro de longitud adimensional apropiado

REFERENCIAS

Bird RB Stewart WE y Ligthfoot EN 1982 Ejercicio propuesto 6N en Fenoacutemenos deTransporte Reverte

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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Foust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSALevenspiel O 1985 Engineering Flow and Heat Exchange Plenum PressMcCabe WL Smith JC y Harriot P 1993 Unit Operations of Chemical Engineering 5aEd Mc Graw-Hill

PRACTICA No 3

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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EN UN CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

OBJETIVO

El alumno aprenderaacute a obtener experimentalmente una correlacioacuten que permita estimar el coeficiente individual de transferencia de calor externo en un cambiador de calor de corazay tubos

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIOacuteNI CARACTERIacuteSTICASCuando en la industria se requiere una superficie de transferencia alta el cambiador de calor por excelencia mas empleado es el de coraza y tubos En la figura 1 se ilustra un cambiador de este tipo de un solo paso en el el fluido que fluye a traveacutes de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a traveacutes del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo y deja a la unidad a traveacutes del otro cabezal para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permiten que el fluido regrese al interior del cambiador repetidamente el nuacutemero de pasos del fluido por los tubos depende de factores econoacutemicos del disentildeo de la operacioacuten y del espacio disponible

FIGURA 1CAMBIADOR DE CALOR DECORAZA Y TUBOS DE UN SOLO PASOEl fluido externo o el que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en direccioacuten perpendicular a la direccioacuten de los tubos y se distribuye a lo largo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes1 Dar soporte a los tubos en un posicioacuten vertical2 Evitar la vibracioacuten de los tubos debido a la alta turbulencia causada por el fluido que va por la coraza3 Guiar al fluido que va por la coraza en direccioacuten transversal en relacioacuten al banco de tubos incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calorHay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el disentildeo de los cambiadores de calor pero los maacutes comunes son los deflectores segmentados como se muestra en la figura 2 estos son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75 del diaacutemetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con25 de corte El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las caracteriacutesticas viscosas del fluido que va por la coraza como es el caso del moacutedulo de cambiadores de calor del laboratorio de ingenieriacutea quiacutemica que presentan deflectores con un 50 de corte

FIGURA 2

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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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DISTRIBUCIOacuteN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZAPOR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORESII COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALORLa expresioacuten del coeficiente total de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor y estaacute dada porHo RdEc1III COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALORDebido a las diferencias fiacutesicas en relacioacuten al cambiador de tubos conceacutentricos la evaluacioacuten de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferenteA) INTERIOR DE TUBOSPara evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos conceacutentricosPara reacutegimen laminar (Relt 2100)Ec de Sieder y TateEc2Para reacutegimen transicional ( 2100lt Re lt 10000 )0116 125 1LdikdiG CpkhidiNuEc3Para reacutegimen turbulento ( Re gt 10000)Ec de Sieder y TateEc4Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos estaacute dada poraacuterea de flujo por los tubosGasto maacutesico del fluido que va por los tubosaWGtt

t Ec5y el aacuterea de flujo por los tubos se calcula como NN afa t

t Ec6

B) LADO DE LA CORAZA

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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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La informacioacuten para evaluar el coeficiente del lado de la coraza auacuten estaacute muy restringidaKern propone una correlacioacuten para amplio rango de nuacutemero de Reynolds que oscila entre2000 y1000000Ec7 El diaacutemetro equivalente De debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tuberiacutea dentro de la coraza la figura 3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el disentildeo de cambiadores de calor

FIGURA 3DIAacuteMETROS EQUIVALENTES MAS COMUNES ENCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOSLa masa velocidad del lado de la coraza Gs se puede calcular comoss

s aWAacuterea de flujo por la corazaGasto maacutesico que va por la corazaG Ec9Mientras que el aacuterea de flujo por la coraza estaraacute determinada por PtD C Ba s

s Ec10El rango de aplicacioacuten de la ecuacioacuten 7 praacutecticamente abarca la mayoriacutea de regiacutemenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional sin embargo uacutenicamente es aplicable para cambiadores de calor con deflectores con 25 de corte La aplicacioacuten de esta condicioacuten debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimacioacuten del coeficiente del lado de la coraza ho IV DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARIacuteTMICAEn los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse mas de un paso por los tubos lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendioacute en la practica anterior por lo que si se trata de un cambiador con maacutes de un paso de cualquiera de los dos fluidos la aplicacioacuten de las ecuaciones convencionales para evaluar la diferencia de temperaturas media logariacutetmica resulta un errorBowman Mueller y Tagle ( ) han propuesto para cambiadores de calor con mas de un paso una correccioacuten Ft a la diferencia de temperaturas media logariacutetmica en contracorriente tal que el calor intercambiado puede estimarse como T tT tT t T tQ U A Ft Ec11Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de correccioacuten Ft puede estimase a partir de la siguiente relacioacuten

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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos el factor de correccioacuten Ft toma el valor de 1EQUIPO EXPERIMENTALEl equipo experimental con que cuenta el laboratorio se puede observar en la Figura 4 es un modulo de transferencia de calor disentildeado especialmente para la ensentildeanza que consta de las siguientes partes3 intercambiadores de calor de coraza y tubos de los cuales uno de ellos estaacute construido con tubos de cobre y los dos restantes con tubos de acero inoxidable la coraza en todos los cambiadores estaacute hecha de vidrio para permitir ver con claridad la distribucioacuten del fluido que va por la coraza1 intercambiador de placas con una superficie de calentamiento de 01 m2 construida de acero inoxidableTodos intercambiadores de coraza y tubos pueden conectarse en contracorriente o en paralelo con la posibilidad de colocar el fluido caliente o friacuteo por dentro o por fuera de tubos a partir de mangueras desconectables seguacuten la decisioacuten del arreglo1 Termorregulador para suministrar agua caliente tiene una potencia de calefaccioacuten de 4Kw con una temperatura maacutexima de calentamiento de 95 ordmC El agua caliente se distribuye con una bomba centriacutefuga de 037 KW con una capacidad maacutexima de suministro del fluidode 15 m3h 1 Sensor y 1 controlador de temperaturas que permiten programar la temperatura de suministro del agua caliente con la que trabajaraacute el cambiador1 Bomba de suministro de agua friacutea con una potencia de 037 Kw y una capacidad maacutexima de suministro de agua de 15 m3h4 Tanques de almacenamiento o preparacioacuten de soluciones cada tanque tiene una capacidad de 200 l y estaacute provisto de ruedas que permiten su transporte hacia la zona mas conveniente para su desalojo1 Tablero con 16 termopares para registro de las temperaturas de las corrientes caliente y friacutea de entrada y de salidaFIGURA 4MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALORACTIVIDAD EXPERIMENTAL1 El equipo con el que se realizaraacute la praacutectica puede ser el cambiador I II o III2 Alinear al cambiador de calor en contracorriente de tal manera que el fluido caliente entre por la parte interna de los tubos y el fluido friacuteo por el lado de la coraza3 En el calentador de agua programe una temperatura del agua caliente de 65ordmC y fije con el rotaacutemetro un gasto del agua caliente de 15 lpm el cual deberaacute permanecer constante a lo largo de toda la experimentacioacuten4 Con el rotaacutemetro que regula el gasto del agua friacutea fije el gasto mas bajo que se indica en la tabla 1 registre las cuatro temperaturas y realice el balance de energiacutea en el cambiador no continuacutee con el siguiente paso hasta que este balance se cumpla con un error menor al 105 Repita la operacioacuten del punto anterior para los siguientes gastos del fluido friacuteo indicados en la tabla 1

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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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6 Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para cada una de las tres corridas empleando la ecuacioacuten 11 y regiacutestrelo en la tabla 27 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor hio ocupando las ecuaciones 23 o 4 teniendo en cuenta el reacutegimen de flujo en el que se encuentra el gastodel fluido caliente que se fijoacute anteriormente regiacutestrelo en la tabla 2

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPOCONCEPTO SISTEMA INGLES SISTEMAINTERNACIONALRevisar especificaciones del equipo en el manual de laboratorio correspondiente

TRABAJO POSTERIOR A LA PRAacuteCTICA1 Empleando el modelo teoacuterico del coeficiente total de transferencia de calor dado porla ecuacioacuten 1 sustituya en ella el valor de coeficiente total de transferencia de calor experimental y despeje el coeficiente parcial ho para las tres corridas experimentales para esto puede considerar que las resistencias por incrustacioacuten son despreciables2 Para obtener una correlacioacuten que permita obtener el coeficiente de transferencia de calor del lado de la coraza ho seraacute necesario ocupar el esquema de la ecuacioacuten 7 dela siguiente maneraa b c

kho DeNu Re Pr de manera que para las tres corridas que se hicieron se puede plantear el siguiente sistema de ecuaciones que debe resolverse simultaacuteneamenteDeGs CPPara obtener las constantes a b y c3 Estime el valor del coeficiente individual de transferencia de calor ho ocupando la correlacioacuten de Kern dada por la ecuacioacuten 7 y la correlacioacuten que usted obtuvo y reporte el porcentaje de error en la tabla 24 Estime el calor intercambiado a partir de la ecuacioacuten 11 empleando los 2 coeficientes totales del punto anterior y calcule el porcentaje de error en relacioacuten al calor intercambiado estimado con el balance de energiacutea reporte sus resultados en forma de tabla CONTENIDO DEL INFORME1 La correlacioacuten que permite evaluar el coeficiente individual de transferencia calordel lado de la coraza2 El porcentaje de error que hay entre el coeficiente individual del lado de la corazaevaluado con la ecuacioacuten propuesta por Kern y la correlacioacuten obtenidoexperimentalmente3 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten de Kern y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea4 El porcentaje de error que hay entre el calor obtenido con la correlacioacuten obtenida experimentalmente y el calor obtenido a partir del balance de energiacutea

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 46: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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NOMENCLATURAU = Coeficiente total de transferencia de calorhi = Coeficiente parcial en la parte interna del tubo internoAi = Aacuterea superficial de la incrustacioacuten interna del tubo internoXw = Espesor del tubokw = Conductividad teacutermica del tuboAwm = Aacuterea superficial promedio del tuboho = Coeficiente parcial en la parte del tubo internoAo = Aacuterea superficial externa de la incrustacioacuten externaRdi = Factor de incrustacioacuten en la parte internaRdo = Factor de incrustacioacuten en la parte externaRe = Nuacutemero de ReynoldsPr = Nuacutemero de Prantli = Viscosidad del fluido que va por los tubos= Viscosidad del fluido que va por la corazaW = Viscosidad del fluido evaluada a la temperatura de la paredki = Conductividad teacutermica del fluido que va por los tuboska = Conductividad teacutermica del fluido externo que va por la corazaL = Longitud de los tubosDe = Diaacutemetro equivalente de transferencia de calorDo = Diaacutemetro externo de uno de los tubosDs = Diaacutemetro interno de la corazaGs = Masa velocidad del fluido en la zona de la corazaGi = Masa velocidad del fluido en la zona de los tubosAt = aacuterea de flujo del lado de los tubosAs = aacuterea de flujo por la corazaA = aacuterea total de transferenciaPt = PitchC = ClaroB = Espaciamiento entre mamparasFt = Factor de correccioacuten de la diferencia de temperaturas media logariacutetmicaBIBLIOGRAFIacuteADONALD K KERNPROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED CECSA 1965ANTONIO VALIENTE BARDERASFUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIacuteA Y PROBLEMAS ED CECSA 1989

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b

COEFICIENTE GLOBAL

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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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La condensacioacuten por peliacutecula es susceptible a l anaacutelisis matemaacutetico y los caacutelculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacioacuten

En la condensacioacuten por peliacutecula los coeficientes de transferencia de calor son mas bajos que en la condensacioacuten por goteo el espesor de la peliacutecula se ve afectado por la velocidad viscosidad la densidad el diaacutemetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectuacutea la condensacioacuten y sobretodo por la posicioacuten del condensador

En la condensacioacuten los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical dependiendo de la aplicacioacuten del condensado

Para poder definir la posicioacuten de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos el tipo de soportes estructurales y el costo que implica generalmente es maacutes costoso instalar un condensador de tipo vertical

La posicioacuten del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de peliacutecula

La praacutectica se realizara utilizando un condensador de haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas caracteriacutesticas del condensador horizontal para poder comparar ambos equipos

Los factores que se deben considerar en la eleccioacuten de un intercambiador de calor son

- Temperatura a la que se trabaja

- Estado del fluido (vapor o liacutequido)

- Presioacuten a la que se someten los fluidos

- Peacuterdidas de presioacuten en los intercambiadores

- Caudal del fluido

- Accioacuten corrosiva del fluido tratado

- Posibilidad del sistema de ensuciarse que supone peacuterdida de calor

Tamantildeo posible de la instalacioacuten

El condensador vertical instalado en el laboratorio de operaciones unitarias consta de

Un condensador vertical de cabezal flotante con 5 tubos BWG 18 Admiralty de 58 de diaacutemetro y de una longitud de 15m

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 48: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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Un rotaacutemetro con tubo de vidrio con capacidad de 19 ltmin

Una bomba centrifuga 4 indicadores de temperatura 5 termopares 1 indicador de temperatura digital 1 selector de temperatura 2 tanques atmosfeacutericos de 57 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo de agua 1 tanque atmosfeacuterico de 385 cm de diaacutemetro con

indicador de nivel de vidrio para el manejo del condensado friacuteo un enfriador de serpentiacuten de acero inoxidable tipo 304

para subenfriar el condensado 2 manoacutemetros de tipo Bourdon Una vaacutelvula reductora de presioacuten Una trampa de vapor tipo cubeta invertida Un filtro Una vaacutelvula de seguridad

Instructivo de operacioacuten general del equipo

o Verificar que el sistema este cerrado o Abrir la liacutenea general o Abrir las vaacutelvulas de alimentacioacuten de agua friacutea al tanque y al

enfriador o Abrir las vaacutelvulas desde la alimentacioacuten del agua de tanque a la

bomba la de recirculacioacuten o Poner a funcionar la bomba o Abrir la vaacutelvula de alimentacioacuten de agua al condensador (vaacutelvula

de descarga de rotaacutemetro) y fijar el gasto de operacioacuten o Abrir la vaacutelvula general de vapor al equipo o Abrir la vaacutelvula reductora de presioacuten o Abrir la vaacutelvula de globo o Abrir la vaacutelvula de purga de vapor o Purgar y cerrar vaacutelvula de purga y fijar condiciones de operacioacuten

del equipo (05 a 15 kgcm2) observando la presioacuten en el manoacutemetro o Se opera el equipo hasta obtener reacutegimen permanente

registrando las temperaturas de los indicadores hasta que permanezcan constantes

o Tomar los datos experimentales de presioacuten temperaturas gastos de agua y vapor en determinado tiempo

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 49: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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o Cambiar las condiciones de operacioacuten (se puede cambiar la presioacuten o gasto de agua o ambos) se opera el equipo y se busca establecer el reacutegimen permanente

o Se obtienen los nuevos datos experimentales

Para finalizar la operacioacuten se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del vapor

o Se deja funcionar el condensador de calor hasta que este se enfriacutee (aprox 3-5 min)

o Se apaga la bomba y se cierra la vaacutelvula del rotaacutemetro o Se cierra la vaacutelvula de alimentacioacuten del agua

Rotametro P tae tac Tv Tc Tcfriacuteo ΔZa θ ΔZc

Kgm2 ordmC ordmC ordmC ordmC ordmC m h m

80 8000 27 414 1133 1101 27 0161 01166 0023

50 2600 27 469 1133 1103 27 0215 01166 0025

50 2600 27 436 1017 986 27 0198 00833 0014

Tabla de Datos Experimentales

Secuencia de Caacutelculos

Determinar el gasto volumeacutetrico del agua

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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Donde

a = Densidad del agua 996 kg m3

Caacutelculo del gasto volumeacutetrico del vapor

Caacutelculo del gasto masa de vapor

en donde

a = Densidad del condensado friacuteo 996 kg m3

Caacutelculo del calor ganado (Qa)

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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Donde

Cp = Calor especiacutefico del agua 0998kcal kgordmC

Caacutelculo del calor cedido (Qv)

en donde se obtiene de tablas de vapor a presioacuten absoluta

λ= Calor latente 5433 y 5596 kcalkg

Caacutelculo de la eficiencia teacutermica del equipo

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor

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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Caacutelculo de la media logariacutetmica de temperatura

En donde

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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Caacutelculo del aacuterea de transferencia de calor

Caacutelculo del coeficiente global de transferencia de calor teoacuterico

Donde

k= Conductividad teacutermica del material (Tubo admiralty BWG 18 58)

952 kcal mhordmC

Caacutelculo de los coeficientes de peliacutecula interior y exterior

Peliacutecula Interior

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura media (tm) del agua

Donde

k= Conductividad teacutermica del agua 05393 kcal mhordmC

ρ= Densidad del agua 951 kgm3

μ= Viscosidad del agua 2599 Kgmh

Cp= Calor especifico del agua 0998 kcal kgordmC

Caacutelculo de la velocidad del agua

Peliacutecula exterior he

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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Nota Para este caacutelculo las propiedades fiacutesicas se toman a temperatura de peliacutecula (Tf) del vapor excepto en donde

Este caacutelculo es un aproximado de la temperatura de pared

Donde

Las propiedades son a temperatura de peliacutecula (tf) del condensado

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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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μ= Viscosidad del vapor 12856 kgmh

ρ= Densidad del vapor 97153kgm3

k= Conductividad teacutermica del vapor 0577kcal mhordmC

g= Aceleracioacuten de la gravedad 127137600mh2

Caacutelculo de la desviacioacuten porcentual D

Tablas de Resultados

R P Gma Gmv Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kgcm2 Kgh Kgh Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

80 8000 33873 2287 486794 1242623 3917 7716 1684 36174 335307 53095 6828

50 2600 45234 2486 893842 1350678 6617 7432 32106 96006 346679 64439 5017

50 2600 5831 1948 966015 1090514 8558 6492 39725 11763 314502 73848 462

Resultados experimentales y teoacutericos condensador vertical

R P t(ordmC) T(ordmC) Qa Qv ŋ ΔTML Uexp hi he Uteo D

Kg m2

Kcalh Kcalh ordmC Kcalhm2ordmC

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
Page 57: Manual de Practicas Laboratorio Integral I

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50 2600 28 45 1033544 124395914 8398 6312 437814 1278456 758265 91357 5207

Resultados experimentales y teoacutericos condensador horizontal

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

Perry Manual de ing quiacutemico

PRACTICA No4Medida del coeficiente de difusioacuten

DifusionDifusioacuten

Medida del coeficiente de difusioacutenSimulacioacuten de la difusioacuten

Movimiento brownianoSedimentacioacutenConstante Boltzmann

Descripcioacuten

Actividades

Referencias

En esta paacutegina se simula un experimento que permite estudiar la difusioacuten del vapor de un liacutequido volaacutetil en aire

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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Se dispone de un tubo delgado de algunos centiacutemetros de largo y de uno o dos miliacutemetros de diaacutemetro Se llena con un liacutequido volaacutetil tal como eacuteter acetona o tetracloruro de carbono A medida que el liacutequido se evapora desciende el nivel de la columna de liacutequido El experimento consiste en medir la distancia h entre el extremo superior del tubo y la parte inferior del menisco en funcioacuten del tiempo t

Una graacutefica de h en funcioacuten de la raiacutez cuadrada del tiempo t da una liacutenea recta A partir de la pendiente de la recta se obtiene el coeficiente de difusioacuten D

Descripcioacuten

Existe un proceso de difusioacuten siempre que se establezca un gradiente de concentracioacuten

La concentracioacuten de vapor decrece desde su valor cs en la superficie del liacutequido a cero en el extremo abierto del tubo donde el vapor es arrastrado por las corrientes imperceptibles de aire que siempre estaacuten presentes El gradiente de concentracioacuten es por tanto csh siendo cs la concentracioacuten de vapor saturado

El descenso del nivel del liacutequido es suficientemente lento para considerar el proceso de difusioacuten como cuasi-estacionario La situacioacuten anaacuteloga la hemos estudiado en el fenoacutemeno de la conduccioacuten del calor por una barra metaacutelica Cuando se alcanza el estado estacionario la distribucioacuten de temperaturas a lo largo de la barra no cambia con el tiempo sin embargo hay un flujo constante de calor desde el extremo caliente al friacuteo que es proporcional al gradiente de temperatura

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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

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Referencias

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PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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De acuerdo con la ley de Fick el flujo JA (masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentracioacuten La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusioacuten D

La masa de vapor que atraviesa la seccioacuten A del tubo en la unidad de tiempo JA seraacute igual a la masa de liacutequido evaporado en la unidad de tiempo Si Amiddotdh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del liacutequido

Llegamos a la ecuacioacuten

Integramos con las condicioacuten inicial siguiente en el instante t=0 h=0 que da

La concentracioacuten de vapor saturado cs se puede determinar a partir de los datos de la presioacuten de vapor saturado ps que suministran las tablas Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal

Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros) la concentracioacuten cs=mV en (gcm3) La presioacuten de vapor ps se suele dar en mm de mercurio (torr) 1760 de una atmoacutesfera y la temperatura en kelvin de modo que la concentracioacuten de vapor cs se calcula mediante la

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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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siguiente foacutermula

Datos de los liacutequidos

Liacutequido Peso molecular (g)

Densidad (gcm3)

Coef difusioacuten cm2s

Acetona 581 0792 0101Eacuteter 7412 07135 0091Tetracloruro de carbono

1538 1595 0079

Datos de la presioacuten de vapor saturado ps (torr) para varias temperaturas

Liacutequido 10ordmC 15ordmC 20ordmC 25ordmC 30ordmCAcetona 1156 1471 1848 2292 2827Eter 2917 3607 4422 5370 6473Tetracloruro de carbono

531 687 865 109 137

En general el coeficiente de difusioacuten D cambia con la temperatura pero por razoacuten de simplicidad supondremos que se mantiene constante en el intervalo de temperaturas estudiado

Actividades

Se elige

El liacutequido (acetona eacuteter o tetracloruro de carbono) en el control seleccioacuten titulado Liacutequido

La temperatura (10 15 20 25 oacute 30ordmC) del liacutequido en el control de seleccioacuten titulado Temperatura

Se pulsa el botoacuten titulado Empieza

Se observa como el liacutequido volaacutetil elegido se va evaporando a la vez

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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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que va descendiendo la columna de fluido Las moleacuteculas de vapor se difunden desde la superficie del liacutequido por el aire a lo largo de la columna hasta su extremo superior La concentracioacuten de vapor es maacutexima cs en la superficie de liacutequido y es nula en el extremo abierto del tubo

Una graacutefica situada al lado del tubo vertical representa en el eje vertical la altura h (cm) o distancia entre el extremo del tubo abierto y el menisco de fluido en el eje horizontal la raiacutez cuadrada del tiempo expresado en minutos

Para que los puntos en la graacutefica esteacuten igualmente espaciados a lo largo del eje horizontal se toman los datos de la altura h en los instantes t=1 4 9 16 25hellip minutos

El programa interactivo nos suministra el valor de la pendiente de la recta que pasa por los puntos ldquoexperimentalesrdquo a partir de la cual podemos calcular el coeficiente de difusioacuten D

Ejemplo

Se llena el tubo de acetona y se mantiene a la temperatura constante de 10ordmC=283 K

Cuando se completa la ldquoexperienciardquo tomamos el dato de la pendiente de la recta y nos da

A partir de los datos de las tablas obtenemos la concentracioacuten cs de vapor saturado a dicha temperatura

Conocida la pendiente a de la recta se despeja el coeficiente de difusioacuten D

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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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QUIacuteMICA

Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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D=0101 cm2s=101middot10-5 m2s

DifusionApplet1 apareceraacute en un explorador compatible con JDK 11

Referencias

Pryde J A Pryde E A A simple quantitative diffusion experiment

PRACTICA DICIONAL OPTATIVA c

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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

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bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Determinacioacuten del coeficiente volumeacutetrico de transferencia de masa en un tanque agitado con soacutelidos que se disuelven

Practica 5

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Determinacioacuten experimental de la curva caracteriacutestica de una bomba

PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA d

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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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PEacuteRDIDAS POR FRICCIOacuteN EN TUBERIacuteAS YACCESORIOS

OBJETIVOSQue lael alumnaobull Determine experimentalmente las peacuterdidas de energiacutea debidas a la friccioacuten en tuberiacuteasy accesoriosbull Encuentre correlaciones para el factor de friccioacuten en tuberiacuteas como funcioacuten del nuacutemerode Reynolds y de la rugosidad relativabull Compare los factores de friccioacuten experimentales con los reportados en la literaturabull Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesoriosMOTIVACIOacuteNUna de las tareas mas frecuentes del ingeniero en la industria es la de seleccionar elequipo adecuado a los propoacutesitos de la empresa Esto incluye innovaciones y sustitucionesPor ejemplo se requiere decidir el diaacutemetro de una tuberiacutea para llenar un tanque dealmacenamiento en un determinado tiempo con el fluido que se encuentra en un tanqueelevado situado a 1 Km de distancia y 30 m arriba del nivel del tanque receptorEQUIPO PRINCIPALEsta praacutectica se realiza en un arreglo de tuberiacuteas y accesorios marca Armfield cuyomanual de funcionamiento puede consultarse en el laboratorio En el diagrama puede verseque el aparato consta de tres regiones principales (a) un tanque de almacenamiento con dossecciones una de ellas para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico (22) y la otra (23) para laalimentacioacuten de la bomba (24) (b) el arreglo de tuberiacuteas y accesorios alimentadosselectivamente desde la bomba a traveacutes de un sistema de vaacutelvulas y (c) la regioacuten de medicioacutende la presioacuten por medio de dos manoacutemetros en ldquoUrdquo uno de mercurio (20) y otro de agua (21)para distintos rangos de diferencia de presioacuten con sus conectores y vaacutelvulas de purga (A B C

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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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y D) A continuacioacuten se da la lista de los componentes del arregloV1 Vaacutelvula de descarga del tanque de alimentacioacutenV2 Vaacutelvula de control de entrada de flujoV3 Vaacutelvulas de purga de aireV4 Vaacutelvulas de bola para la cancelacioacuten de tuberiacuteasV5 Vaacutelvula de control de salida de flujo (fina)V6 Vaacutelvula de control de salida de flujo (gruesa)V7 Vaacutelvulas de los manoacutemetros34351 Tuberiacutea lisa de 6 mm de diaacutemetro2 Tuberiacutea lisa de 10 mm de diaacutemetro3 Tuberiacutea de rugosidad artificial4 Tuberiacutea lisa de 175 mm de diaacutemetro5 Contraccioacuten repentina6 Expansioacuten repentina7 Vaacutelvula de bola8 Codo a 45 grados9 Unioacuten en ldquoYrdquo a 45 grados10 Vaacutelvula de compuerta11 Vaacutelvula de globo12 Bifurcacioacuten a 45 grados13 Codo de 90 grados14 Codo de 90 grados con curvatura pequentildea15 Unioacuten en ldquoTrdquo a 90 grados16 Tubo de Pitot estaacutetico17 Medidor de Venturi18 Medidor de orificio19 Muestras de los tubos usados en el aparato20 Manoacutemetro de mercurio de 1 m de largo21 Manoacutemetro de agua presurizada de 1 m de largo22 Tanque para la medicioacuten de flujo volumeacutetrico23 Tanque para la alimentacioacuten de la bomba24 Bomba centriacutefuga de servicio25 Tubo de nivel26 Interruptor de la bomba27 Tornillos de seguridad28 Cilindro de medicioacuten29 Vaacutelvula de servicioPREGUNTAS GUIacuteA1 iquestQueacute es el factor de friccioacuten2 iquestCoacutemo se distingue el factor de friccioacuten de Darcy del factor de friccioacuten de Fanning ycoacutemo se usan ambos en el caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten

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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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3 iquestQueacute es la friccioacuten de rozamiento y queacute la friccioacuten de forma4 iquestCoacutemo se relacionan los esfuerzos cortantes en la pared de un tubo con el factor defriccioacuten5 iquestCoacutemo se relaciona la caiacuteda de presioacuten en un tubo con el factor de friccioacuten6 iquestQueacute es un accesorio en una red de tuberiacuteas7 iquestQueacute es la longitud equivalente de un accesorio8 iquestQueacute es el coeficiente de rozamiento de un accesorio9 iquestQueacute es la caiacuteda de presioacuten maacutexima y queacute la caiacuteda de presioacuten irreversible en unmedidor de orificio3610 iquestQueacute es la rugosidad relativa11 iquestCoacutemo afecta la rugosidad relativa a las peacuterdidas de presioacuten por friccioacuten en un tubo12 iquestQueacute caiacuteda de presioacuten debe tener una vaacutelvula de control de entrada de flujo para tenerun buen control de flujoDESARROLLO PROPUESTO1 Se abren todas las vaacutelvulas de paso del circuito y se enciende la bomba Parte del aireen el circuito resulta evacuado en esta operacioacuten2 Se cierran las vaacutelvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberiacuteas exceptouna empezando por mantener el flujo en la tuberiacutea inferior luego en las intermedias yfinalmente en la superior En esta operacioacuten el aire remanente en las tuberiacuteas debe sercompletamente evacuado Las vaacutelvulas de purga de aire pueden auxiliar tambieacuten enesta operacioacuten3 Como se pretende encontrar experimentalmente la relacioacuten entre el flujo volumeacutetrico yla caiacuteda de presioacuten para diversos tubos y accesorios es posible en principio operar dedos maneras Cada equipo decidiraacute coacutemo operar expondraacute sus razones y sacaraacute susconclusiones al respecto Las dos formas de operar son4 (i) Conectar las tomas de presioacuten a un accesorio o tubo que se desee inspeccionarpurgar las tomas de presioacuten y hacer las mediciones de caiacuteda de presioacuten para diversosflujos volumeacutetricos midieacutendolos mediante el tiempo que circula un volumen dado de

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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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QUIacuteMICA

Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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fluido y cambiaacutendolos por medio de las vaacutelvulas de control de flujo5 (ii) Fijar un flujo volumeacutetrico por medio de las vaacutelvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido Conectar las tomas depresioacuten purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente para todos los tubos yaccesorios que se deseen inspeccionar verificando de tiempo en tiempo que el flujovolumeacutetrico permanezca constanteRESULTADOS1 Para cada uno de los tubos se encontraraacuten pares de valores del nuacutemero de Reynoldscontra el factor de friccioacuten asiacute como un estimado de su rugosidad relativa Estosresultados se presentaraacuten en forma graacutefica y tabular2 Se ajustaraacuten los resultados anteriores con las correlaciones apropiadas para flujolaminar o turbulento verificando los valores de los paraacutemetros que resultan de losajustes3 Es razonable pensar que los paraacutemetros de la literatura son maacutes precisos que losnuestros (iquestporqueacute) en estas correlaciones por lo cual es preferible calcular los valoresde los coeficientes de friccioacuten de dichas correlaciones de literatura y compararlos conlos nuestros Encontrar loe errores cuadraacuteticos medios de nuestros resultadosexperimentales4 Para cada uno de los accesorios encontrar su longitud equivalente y su coeficiente ofactor de friccioacuten iquestLa longitud equivalente es constante o depende del nuacutemero deReynolds Comparar los resultados con los de la literatura37REFERENCIASArmfield 1997 Fluid Friction Apparatus Instructivo No C6Crane Co 1986 Flow of Fluids Through Valves Fittings and Pipe Technical Paper No410MFoust AS Wenzel LA Clump CW Maus L y Andersen LB 1961 Principios deOperaciones Unitarias CECSAPerry RH Green DW y Maloney JO Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill

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PRACTICA No 10

MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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QUIacuteMICA

adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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MEDICION DE FLUJO POR MEDIO DE DOS ELEMENTOSROTAacuteMETRO Y PLACAS DE ORIFICIO

La seleccioacuten eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento praacutectico de la tecnologiacutea del medidor ademaacutes de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medirCuando la medida del caudal se utiliza con el propoacutesito de facturar un consumo deberaacute ser lo maacutes precisa posible teniendo en cuenta el valor econoacutemico del fluido que pasa a traveacutes medidor y la legislacioacuten obligatoria aplicable en cada casoEn este estudio se examinan los conceptos baacutesicos de la medida de caudal y las caracteriacutesticas de los instrumentos de medidaEntre los principales medidores que se estudian se citan en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial Despueacutes se estudian los medidores con accionamiento mecaacutenico es decir los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagneacutetico y los medidores de tipo ultrasoacutenicoAunque los medidores de tipo maacutesico no se abordan ya que la ponencia trata de medidores de caudal de tipo volumeacutetrico en ocasiones es maacutes importante conocer el caudal maacutesico que el caudal volumeacutetrico principalmente en la industria quiacutemica donde es necesario conocer los caudales maacutesicos con el fin de determinar balances energeacuteticos en las plantas de procesoSe indican tambieacuten las ventajas e inconvenientes de emplear uno u otro tipo de medidor de caudal tanto teacutecnica como econoacutemicamente

MEDIDORES DE PRESIOacuteN DIFERENCIAL

IntroduccioacutenLa medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinacioacuten de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccioacuten por unidad de tiempoLos instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente caudaliacutemetros o medidores de caudal constituyendo una modalidad particular los contadores los cuales integran dispositivos

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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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QUIacuteMICA

Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

73

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

74

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

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QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

78

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

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QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccioacutenLos medidores de caudal volumeacutetrico pueden determinar el caudal de volumen de fluidode dos formasbull directamente mediante dispositivos de desplazamiento positivo obull indirectamente mediante dispositivos de presioacuten diferencial aacuterea variable velocidad fuerza etcPuesto que la medida de caudal volumeacutetrico en la industria se realiza generalmente con instrumentos que dan lugar a una presioacuten diferencial al paso del fluido abordaremos en primer lugar los medidores de presioacuten diferencial

Esta clase de medidores presenta una reduccioacuten de la seccioacuten de paso del fluido dando lugar a que el fluido aumente su velocidad lo que origina un aumento de su energiacutea cineacutetica y por consiguiente su presioacuten tiende a disminuir en una proporcioacuten equivalentede acuerdo con el principio de la conservacioacuten de la energiacutea creando una diferencia de presioacuten estaacutetica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

Principales medidores de presioacuten diferencialEntre los principales tipos de medidores de presioacuten diferencial se pueden destacar los siguientesplacas de orificiotoberastubos Venturitubos Pitottubos Annubarcodosmedidores de aacuterea variablemedidores de placaSe estima que actualmente al menos un 75 de los medidores industriales en uso son dispositivos de presioacuten diferencial siendo el maacutes popular la placa de orificioLas principales ventajas de dichos medidores sonndash su sencillez de construccioacuten no incluyendo partes moacutevilesndash su funcionamiento se comprende con facilidadndash no son caros particularmente si se instalan en grandes tuberiacuteas y se comparan con otros medidores

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ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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QUIacuteMICA

Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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QUIacuteMICA

que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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QUIacuteMICA

ndash pueden utilizarse para la mayoriacutea de los fluidos yndash hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usosSus principales desventajas sonndash la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoriacutea de los otros tipos de medidoresndash pueden producir peacuterdidas de carga significativasndash la sentildeal de salida no es lineal con el caudalndash deben respetarse unos tramos rectos de tuberiacutea aguas arriba y aguas abajo del medidor que seguacuten el trazado de la tuberiacutea y los accesorios existentes pueden ser grandesndash pueden producirse efectos de envejecimiento es decir acumulacioacuten de depoacutesitos o la erosioacuten de las aristas vivasndash la precisioacuten suele ser menor que la de medidores maacutes modernos especialmente si como es habitual el medidor se entrega sin calibrar

Placas de orificioLa placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tuberiacuteaCon el fin de evitar arrastres de soacutelidos o gases que pueda llevar el fluido la placa incorpora normalmente un pequentildeo orificio de purga

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Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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QUIacuteMICA

Tomas de presioacuten alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamantildeos de tuberiacutea de 2 in (508 mm) o superioresEn el caso de las tomas en la vena contraiacuteda la toma antes de la placa se situacutea a 1 in (254 mm) de distancia de la placa mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de miacutenima presioacuten donde la vena alcanza su diaacutemetro maacutes pequentildeoLas tomas en la tuberiacutea se situacutean a 2 12 y 8 diaacutemetros de tuberiacutea respectivamente antes y despueacutes de la placa de orificio

Medidores de aacuterea variableLos medidores de aacuterea variable funcionan sobre la base de mantener una presioacuten diferencialconstante permitiendo aumentar el aacuterea eficaz de flujo con el caudalExisten varios tipos de medidores de orificio variable pero el maacutes utilizado es el que estaacute formado por un tubo coacutenico de eje vertical y un flotador Como se muestra en la figura el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que habitualmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire proporcionaacutendole la estabilidad y efecto de centrado necesario Esta rotacioacuten es la que ha dado origen al nombre de rotaacutemetro

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Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

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que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

74

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

75

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

76

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

78

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

79

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Rotaacutemetro de tubo de vidrio coacutenico y flotador

Cuando no hay flujo el flotador descansa en la parte baja del tubo pero al pasar el fluido hace ascender el flotador de su posicioacuten de reposo a fin de mantener la caiacuteda de presioacuten a traveacutes del flotador en equilibrio con los efectos de empuje hidrostaacutetico y gravitatorio que actuacutean sobre el mismo Puesto que el peso del flotador sumergido es una constante para un fluido dado la caiacuteda de presioacuten tambieacuten tiene que permanecer constante Por consiguiente cuando el caudal aumenta el flotador ascenderaacute en el tubo con el fin de proporcionar una seccioacuten anular de paso mayor para que el fluido pueda pasar a traveacutes de ellaLa altura que alcanza el flotador es asiacute una indicacioacuten del caudal que estaacute pasando y en el caso de tratarse de un tubo transparente puede graduarse directamente sobre el tubo en unidades de caudal Cuando las condiciones de trabajo son maacutes severas el tubo se fabrica de metalLa precisioacuten que puede conseguirse con los medidores de aacuterea variable no suele ser mejor

73

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

74

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

75

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

78

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

que plusmn 2 de desviacioacuten a plena escala por lo que no son aconsejables cuando se requiereuna elevada precisioacuten

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1 Encender el equipo

2 Abrir la llave que se encuentra en rotametro asiacute como la llave de paso que lleva al fluido directo al tanque

3 Calibrar el rotametro midiendo la cantidad de el fluido que sale por la manguera en un determinado tiempo

4 Una vez que se halla calibrado el rotametro sobre la vaacutelvula de paso que va a la tuberiacutea principal donde se encuentra la placa de orificio

5 Posteriormente se debe purgar el manoacutemetro de manera que no se encuentre aire estancado en ninguna de las columnas de manoacutemetro diferencial o hasta que se vea un flujo permanente en las mangueras de purga

6 Ya que se halla purgado adecuadamente el manoacutemetro se cierra la vaacutelvula de paso que esta al centro del arreglo de llaves del manometro para que se comience a tomar la medida de la presioacuten diferencial

7 Con la vaacutelvula del rotametro se va cerrando para variar el flujo y poder tomar varias diferencias de presioacuten para poder medir o determinar la cantidad de flujo que pasa por la placa de orificio asiacute como su diaacutemetro

8 Realice los caacutelculos necesarios

9 Realizar un anaacutelisis de resultados

10Conclusiones

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18t 0 402 804 1206 1608 2010 2412 2814 3216 3625

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QUIacuteMICA

Gv 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abertura de Rotametro

0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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QUIacuteMICA

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0 1111 2222 3333 4444 5555 6666 7777 8888 100

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QUIacuteMICA

CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

77

D0= 0127mDT= 0525m

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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CALCULOS

Planteamiento

Ecuacioacuten de orificio

Caacutelculos

Si Re gt 20000 Co = 061

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D0= 0127mDT= 0525m

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Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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QUIacuteMICA

Por lo tanto el coeficiente de descarga va a ser igual a 061

Ahora ya se puede calcular el gasto masico que se tuvo en el sistema donde se llevo acabo la operacioacuten

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ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

bull httpwwwilustradoscompublicacionesEpyAVFEZFZrNzxTGbcphp

79

TECNOLOacuteGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIOacuteN DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA Y BIOQUIacuteMICA

ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

PROYECTO FINAL

TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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ASIGNATURA LABORATORIO INTEGRAL I CARRERA INGENIERIgraveA

QUIacuteMICA

Por lo tanto el Kc o constante de proporcionalidad experimental para ser usado en los caacutelculos de la placa seraacute de

Por lo tanto el Fc o coeficiente de correlacioacuten entre la placa y el rotametro seraacute de

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

ISO 4006 1991 Measurement of fluid flow in closed conduits vocabulary and symbols

UNE _ EN 5167 _ 1 1996 Medicioacuten de caudal de fluidos mediante aparatos de presioacuten diferencialParte 1 diafragmas toberas y tubos de Venturi intercalados en conducciones en carga de seccioacutencircular (ISO 5167 _ 1 1991)

bull Mc Cabe Smith Harriott Operaciones unitarias en Ing Quiacutemica Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten 2002 Meacutexico

bull Perry Manual del Ingeniero Quiacutemico Mc Graw Hill Sexta Edicioacuten Meacutexico 1992 Tomo I

bull Treybal Operaciones de Transferencia de Masa Mc Graw Hill Meacutexico 1980

bull Valiente Antonio Problemas de Flujo de Fluidos Limusa Noriega Editores Meacutexico 2002

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TRABAJO A DESARROLLAR POR EQUIPO Y PREVIA APROBACIOgraveN DEL TITULAR DE LA

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  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL
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MATERIA Y DE COMUN ACUERDO CON LAS PROUESTAS DE LOS ALUMNOS

80

  • PRAacuteCTICA No 1
  • PRACTICA ADICIONAL OPTATIVA b
    • Secuencia de Caacutelculos
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
      • Medida del coeficiente de difusioacuten
        • Descripcioacuten
        • Actividades
        • Referencias
          • DESARROLLO EXPERIMENTAL