Fluidización

TRANSFERENCIA DE CALOR A TRAVES DE UN EQUIPO DE LECHO FLUIDIZADO

OBJETIVOS:

• Calculo de la velocidad mínima de fluidización del lecho.

• Calculo del coeficiente de transmisión de calor del lecho.

FUNDAMENTO TEORICO:

La fluidización es una operación básica consistente en que unos sólidos finamente divididos o unas partículas sólidas que pasan a ser un sistema fluido debido a la acción de un gas o de un liquido que hacemos circular de manera ascendente a través del lecho de partículas. Es decir, las partículas se reorganizan y dejan de ser fijas, pasando el lecho a ser móvil.

Un fluido circulando a velocidades bajas a través de un lecho granular no provoca fluidización o movimiento de las partículas sólidas; circula por canales y los huecos que existen entre las partículas del lecho, perdiendo energia de presión. A medida que aumentamos la velocidad del fluido vemos que el lecho de partículas se expande y las partículas comienzan a moverse; en este momento el peso aparente de las partículas se ha igualado a la caída de presión en el lecho, y se produce la fluidización. Si se sigue aumentando la velocidad también lo hará la porosidad del lecho, de manera que si aumenta mucho se puede llegar al arrastre de partículas. La velocidad superficial en el instante en que el lecho comienza a fluidizar, se denomina velocidad mínima de fluidización.

En el sistema que manejamos, el fluido se trata de un gas. En el calculo de la velocidad mínima a la que se produce la fluidización se observa la perdida de carga en el lecho y veremos que, comenzando por un caudal de 1,2 l/s y decreciendo poco a poco hasta un caudal nulo, la perdida de carga para los caudales mayores será casi constante e independiente de la velocidad superficial, mientras que a partir de un valor y hasta caudal nulo, la relacion será lineal. La velocidad mínima de fluidización se obtiene gráficamente como resultado de la intersección de las prolongaciones de los tramos lineal y constante.

Las buenas propiedades de transferencia de calor de los lechos fluidizados han conducido a su adopción en aquellas circunstancias en las que se requiere un control estricto de la temperatura. En general las ventajas de la fluidización en el campo de la transferencia de calor son:

• Existe una gran superficie expuesta a la transmisión de calor entre las partículas y el fluido.

• La capa limite en la superficie del calefactor, que opone resistencia a la transferencia de calor, es penetrada por partículas que hacen contacto con el elemento calefactor.

• Las burbujas provocan una buena mezcla, lo que origina que toda la masa del lecho se mantenga a la misma temperatura.

• Permite realizar operaciones de control automático continuo en reactores para la temperatura ya que permite alcanzar condiciones prácticamente isotérmicas. Tambien llega a tener concentración constante.

• La circulación de un fluido entre sólidos permite el transporte de gran cantidad de calor rápidamente.

Estas ventajas son debidas a que los lechos fluidizados transmiten muy bien el calor y poseen coeficientes globales de transmisión de calor mas altos que otros sistemas. Esto es gracias al grado de agitación y mezcla de las partículas con el gas.

El lecho tiene que encontrarse fluidizado (la caída de presión en el mismo es constante) para que se produzca la transmisión de calor, ya que si el lecho se encuentra sin fluidizar no existen diferencias de temperaturas y la transferencia de calor es por conducción en lugar de por convección.

El coeficiente de transmisión de calor (h) va a depender de unas variables que son:

• Temperatura del elemento calefactor (T1).

• Altura del elemento calefactor en el lecho (H).

• Velocidad del fluido (u) (caudal aplicado (Q)).

• Indirectamente, del tamaño de grano. Esto es debido a que la velocidad de fluidización depende del tamaño de grano que hayamos introducido en el lecho, y el coeficiente de transmisión de calor, a su vez, va a depender de la velocidad de fluidización.

El mecanismo fundamental por el cual se produce la transmisión de calor es un mecanismo de convección, desde el sólido (elemento calefactor) a una temperatura T1 hasta el lecho a una temperatura T2. La ecuación que rige este mecanismo es la siguiente:

dq = h • dA • (T1 – T2) q = h • A • (T1 – T2)

Los mecanismos de transporte de calor por conducción y radiación se hacen despreciables y el calor se transporta por mecanismo de convección, es mas, se deberá principalmente a un mecanismo de convección forzada. Asi podemos determinar el transporte de calor mediante la siguiente ecuación:

q = h • A •∆T

donde q es el calor que se transfiere, h es el coeficiente de transmisión de calor por convección, A es la superficie del elemento calefactor e ∆T es ka diferencia de temperaturas entre la superficie del elemento calefactor y el lecho.

El coeficiente de transmisión de calor depende del diámetro de la cámara del lecho, del diámetro de la partícula, porosidad del lecho, altura del elemento calefactor en el lecho y velocidad superficial del gas.

Vamos a estudiar la dependencia del coeficiente de transmisión de calor con el caudal (velocidad) y con la altura del elemento calefactor.

Realizaremos la experiencia en una cámara de fluidización en la que introducimos una resistencia de la que controlamos la tensión eléctrica, y por tanto indirectamente su temperatura. El calor que transfiere esta resistencia o elemento calefactor al lecho vendrá dado por:

q = V • I

donde V es la tensión e I la intensidad.

MATERIAL UTILIZADO:

• Unidad de fluidización.

• Compresor

• Lecho de partículas de alumina, tamaño 100

• Metro

La unidad de fluidización esta formada por una cámara de vidrio donde se encierra el lecho de alumina. Bajo esta cámara hay un distribuidor que se encarga de repartir uniformemente el flujo de aire a través

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