Transferencia de calor en un tanque con serpentín
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UNIVERSIDAD MICHOACANA[pic 1][pic 2]
DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO
[pic 3]
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO
DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE
PRÁCTICA NÚMERO 5
“TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN TANQUE CON SERPENTÍN”
PROFESOR: ING. MARCO ANTONIO VILCHIS GARCÍA
EQUIPO 1
KATIA IRAÍS VELASCO TREJO 1577848H
EDUARDO GABRIEL GONZÁLEZ BLANCAS 1577760D
VICTOR LEANDRO BAÑOS DOMÍNGUEZ 1805005B
OSCAR DANIEL BARAJAS ÁLVAREZ 1577682K
FRANCISCO MARTÍNEZ RAMÍREZ 1833126X
SEMESTRE: 07 SECCIÓN: 01
FECHA DE ENTREGA: 25 DE OCTUBRE DE 2021
MORELIA, MICHOACÁN.
OBJETIVO
Determinar la rapidez de transferencia de calor de vapor de agua en un tanque con serpentín.
INTRODUCCIÓN
Cuando dos objetos a dos temperaturas diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura. El flujo neto siempre es en la dirección en la cual la temperatura decrece. Los mecanismos mediante los cuales se puede transportar el calor son tres: conducción, convección y radiación (McCabe et al., 1993, p. 285).
Conducción
La ecuación se presenta a continuación es la ley de Fourier para la conducción de calor en una dimensión.
[pic 4]
Establece que el flux de calor por conducción es proporcional al gradiente de temperaturas. Si la temperatura varía en las tres direcciones, podemos escribir tres expresiones iguales y multiplicarlas por un vector unitario apropiado para resultar
[pic 5]
La cual es la ley de Fourier en tres dimensiones. Esta ecuación describe el transporte molecular de calor en un medio isotrópico. Por “isotrópico” nos referimos a que el material no tiene una dirección preferida, por lo que el calor se conduce con la misma conductividad térmica en todas las direcciones (Bird et al., 2002, pp. 266-267). [pic 6]
Convección
Cuando una corriente o un fluido macroscópico atraviesa una superficie específica, tal como las fronteras de un volumen de control, se lleva consigo una cantidad definida de entalpía. Dicho flujo de entalpía es conocido como flujo convectivo de calor o simplemente convección. Debido a que la convección es un fenómeno macroscópico, puede ocurrir únicamente cuando las fuerzas actúan en la partícula o en la corriente del fluido y logran mantener su movimiento a pesar de las fuerzas de fricción. De hecho, termodinámicamente, la convección no es considerada como flujo de calor sino como flujo de entalpía (McCabe et al., 1993, p. 286).
Convección natural
Si las corrientes son el resultado de fuerzas de flotabilidad generadas por diferencias en la densidad y, a su vez, éstas son resultado del gradiente de temperaturas en la masa del fluido, se le puede describir como convección natural (McCabe et al., 1993, p. 286).
Balance de Energía
Una forma de atacar los problemas cuantitativos de intercambio de calor es usar los balances de energía. En intercambiadores de calor se puede usar la siguiente expresión:
[pic 7]
donde
[pic 8]
[pic 9]
[pic 10]
También podemos representar el calor ganado y perdido por ambas corrientes con la siguiente expresión
[pic 11]
Si consideramos que únicamente se transfiere el calor sensible y que los calores específicos sean constantes, el balance general de entalpías se convierte en:
[pic 12]
donde el sufijo “c” se refiere a la corriente fría, mientras que el sufijo “h” se refiere a la corriente caliente. (McCabe et al., 1993, pp. 313-314).
Tanques con Serpentín
Comúnmente los tanques con serpentín no son usados para calentamiento o enfriamiento continuo de una corriente, pero se usan para calentar o enfriar un líquido contenido en un tanque tipo batch.
[pic 13]
Recipiente con un serpentín interno (Bott, S. F., Thermopedia).
La transferencia de calor tiene un mejor rendimiento si se agita el líquido que se encuentra en el tanque. Si no se presenta la agitación, la transferencia de calor en las paredes del recipiente o a través del serpentín dependerán de la convección natural del líquido dentro del tanque, lo cual no es muy eficiente (Bott, S. F., Thermopedia).
MATERIAL Y EQUIPO
- Unidad de control de Temperatura y nivel
- 2 termómetros
- Cinta métrica
- Vaso de precipitados de ½ litro
PROCEDIMIENTO
- Tomar la lectura de la presion de la caldera y anotarla
- Medir el diametro del serpentin (del tubo y de una vuelta) y contar el numero de vueltas que tiene el serpentin
- Llenar el tanque de agua y tomar su temperatura
- Fijar una temperatura de trabajo en el control
- Abrir la válvula de vapor y comenzar a tomar la temperatura cada 2 o 3 minutos hasta alcanzar la temperatura fijada
CÁLCULOS
1) Realizar los siguientes gráficos
Tiempo (min) vs Temperatura en diferentes puntos del tanque (°C)[pic 14]
TIEMPO (min) | T (diferentes puntos del tanque) °C |
0 | 26 |
3 | 28.5 |
6 | 34 |
9 | 43 |
12 | 52 |
15 | 57 |
18 | 62 |
21 | 68 |
24 | 72 |
27 | 77 |
30 | 81 |
33 | 86 |
36 | 90 |
39 | 93 |
42 | 95 |
45 | 97 |
48 | 99 |
51 | 100 |
54 | 100 |
57 | 100 |
60 | 100 |
Tiempo (min) vs Temperatura del sensor (°C)[pic 15]
TIEMPO (min) | T (sensor) °C |
0 | 23 |
3 | 25.4 |
6 | 26 |
9 | 27 |
12 | 28 |
15 | 30 |
18 | 31.7 |
21 | 32 |
24 | 35 |
27 | 39 |
30 | 42.7 |
33 | 45 |
36 | 48.5 |
39 | 51 |
42 | 54.5 |
45 | 58 |
48 | 60.4 |
51 | 64.5 |
54 | 67.5 |
57 | 71 |
60 | 76.5 |
Tiempo (min) vs Q del vapor
Para este grafico lo primero que hemos de calcular son los calores para cada delta de temperatura dentro del tanque. Se nos proporciona el dato del volumen del tanque de 235 litros (0.235 m3). Con el dato anterior podemos calcular la cantidad de agua contenida en este tanque.
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