Fisca 2 Pro-3.docx

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“Comprobar de qué manera influye la transferencia de energía en la temperatura del agua en, zonas alto gélidas de Cajamarca 2018”

AUTORES: SANCHEZ VILLANUEVA. GABRIELA HORNA CHICOMA, JOSÉ GIL RAMOS, TANIA AZUCENA CHUQUIMANGO CHILÓN, JUAN CARLOS TASILLA BECERRA, ALEJANDRO

N00023748 N00023803 N00023748 N00070747 N00033137

CURSO: Física General II

CÓDIGO DE CLASE: 9951

DOCENTE: Milton Osmar Ruíz Enríquez

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE - CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA

Cajamarca 2018 Departamento de Ciencias

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I.

INTRODUCCION 1. REALIDAD PROBLEMÁTICA

El Perú es un país con diversas fuentes de ingreso y riquezas, al poseer el 5% del agua potable a nivel mundial, lo hace incomparable, sin embargo, en algunas zonas del país este suministro es escaso, no porque no haya este vital líquido elemento, sino, porque el clima afecta de manera directa a este recurso. En Cajamarca, en zonas alejadas de la ciudad que se encuentran más a la altura, acceder al agua es complicado, ya que el frio o la temperatura llega a ser demasiado gélida por lo que según estudios comprobados las personas que están expuestos a este problema, demuestran un alto índice de enfermedades que les afecta directamente la piel. Además es necesario recalcar que Puno también atraviesa este problema, el frio baja a menos de cero grado Celsius y esto hace que algunos días el agua se congele en las tuberías de los caños, en depósitos que almacenan agua, en lagunas, en ríos. etc. Para darle solución a este problema, se han establecido una serie de soluciones, pero pocos funcionan, es muy importante especificar que el fluido debe estar a una temperatura normal y pueda ser utilizado en cualquier instante. 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿De qué manera influye la transferencia de energía en la temperatura del agua, en zonas gélidas de Cajamarca durante el año 2018?

3. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA Esta investigación se realiza con la necesidad de ayudar a los pobladores que viven en zonas gélidas de Cajamarca, ya que muchas veces ellos pasan apuros porque no tienen el agua a una temperatura adecuada para que lo puedan utilizar en cualquier momento y en diferentes circunstancias. Por lo que es una gran oportunidad para aplicar y ayudar con este proyecto en la solución de este problema y así se pueda ayudar a cientos de familias que viven en zonas gélidas de Cajamarca, por qué no, del país.

4. LIMITACIONES  Una de las principales limitaciones seria el presupuesto ya que eso lo cubrimos los estudiantes involucrados en este proyecto, porque los materiales para hacer las pruebas y los viáticos para poder ir a hacer las prácticas ah las zonas de estudio, es un poco costoso.

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

Otra limitación es que mientras vayamos constantemente a visitar a las zonas donde el frio esta con una una gran demasía, estamos expuestos a tener alguna enfermedad.

5. OBJETIVOS 5.1 Objetivo General 

Determinar el método para solucionar el efecto de la temperatura del agua en zonas gélidas de Cajamarca

5.2 Objetivos Específicos 

Determinar el efecto de la temperatura en el agua en zonas gélidas de Cajamarca



Diseñar un método para solucionar el problema de la temperatura del agua en zonas gélidas de Cajamarca



Reducir el efecto del cambio brusco de la temperatura en el agua en zonas gélidas de Cajamarca

6. VARIABLES DE ESTUDIO  Temperatura (variable independiente)  Transferencia de energía (variable dependiente)  Agua (objeto de estudio)

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II.

MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES

Según rojas i. (2014) en su trabajo titulado “las temperaturas en la zona andina” sostiene que el cambio brusco de temperatura en las zonas andinas de distintas partes de nuestro país, se ha dado cada vez más elevado ya que la contaminación y otras variables afectan cada vez más a los pobladores. En la universidad autónoma de nuevo león, existe el trabajo de “diseño de equipos de transferencia de calor”, autor Ing. José Fernando Salazar Valdez, año 2001 El objetivo principal es la alimentación de calor y generación de potencia energética, relacionadas con la temperatura y los intercambiadores de calor son los equipos de transferencia de calor más sencillos que existen, y están formados por dos tubos concéntricos además sostiene que: Las características favorables de éste equipo son su bajo costo, su simpleza de construcción y sus necesidades de mínimo mantenimiento. Sus desventajas son las de resultar de gran tamaño y no poder manejar fluidos a altas presiones. Una de sus principales aplicaciones se encuentra en el manejo de sustancias corrosivas. Los equipos de intercambio de calor se pueden clasificar de acuerdo a diferentes criterios: tipo de contacto entre las corrientes fluidas, relación área de transferencia de calor a volumen ocupado, número de fluidos involucrados, de acuerdo al servicio, tipo de construcción, etc. en esta guía se presentan diferentes tipos de equipos y sus aplicaciones más relevantes a fin de que el estudiante se familiarice con los intercambiadores de calor más utilizados a nivel industrial, de manera que al finalizar el curso pueda clasificarlos de acuerdo a su función y configuración, y pueda seleccionar el más adecuado para una aplicación determinada. Un intercambiador de calor es un radiador diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Intercambiadores de contacto directo. Son aquellos en los que el intercambio de calor se hace por mezcla física de los fluidos.

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Intercambiadores de contacto indirecto. Son aquellos en los que los fluidos no entran en contacto directo, no se mezclan, sino que están separados por un tabique sólido, un espacio o incluso un tiempo. El calor se transmite por convección y conducción a través de la pared separadora. Intercambiadores de placas. Son aquellos en los que la superficie de separación entre los fluidos es una pared plana. Son relativamente recientes, pero sus ventajas respecto de los clásicos multitubulares, están desplazando a estos en la mayoría de las aplicaciones. Intercambiadores de tubos. En ellos la separación entre los fluidos es siempre la pared de un tubo cilíndrico, por cuyo interior circula uno de ellos, mientras el otro lo hace por el exterior. Si se atiende a la dirección del flujo de ambos fluidos a través de la superficie.

DE ACUERDO A LOS MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Los mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie son: - convección en una sola fase, forzada o libre. - convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación ó ebullición. - una combinación de convección y radiación. Cualquiera de estos mecanismos o una combinación de ellos puede estar activo a cada lado de la pared del equipo. por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. convección monofásica de un lado y bifásica del otro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, etc. De acuerdo al número de fluidos involucrados La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan con tres fluidos. por ejemplo, en procesos criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire-helio, síntesis de amonio, etc. De acuerdo a la disposición de los fluidos La escogencia de una disposición de flujo en particular depende de la eficiencia de intercambio requerida, los esfuerzos térmicos permitidos, los niveles de temperatura de los fluidos, entre otros factores. algunas de las disposiciones de flujo más comunes son: Intercambiadores de calor de pasos múltiples Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes Departamento de Ciencias

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clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: paralelo-cruzado, contracorriente-paralelo, contracorriente-cruzado y combinaciones de éstos. Intercambiadores De Calor Flujo en paralelo o corriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la misma efectividad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el inicio de la nucleación. Flujo en contracorriente o contraflujo: En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales esta es la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra. Flujo cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales. termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores.

BASES TEORICAS En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. (Fernández y Sánchez 1996).

CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR FLUJO PARALELO Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección Contraflujo se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Según forehand y von gilmer ¨¨tesis de temperatura´´ (2004)

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Rodríguez ¨¨la termodinámica básica¨¨ (1999) indica que un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Ccuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos. sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la universidad autónoma de nuevo león, existe el trabajo de “diseño de equipos de transferencia de calor”, autor ing. José Fernando Salazar Valdez, año 2001 Un intercambiador de calor es un equipo mecánico, construido para transferir calor entre dos fluidos a diferente temperatura que están separados por una pared. Cuando la diferencia de temperatura es pequeña se desprecia la transferencia de calor por radiación y el intercambiador de calor se calcula aplicando las correlaciones de transferencia de calor por conducción y convección. Un aspecto importante en la aplicación de los intercambiadores es la recuperación del calor de procesos o incluso a la recuperación de calor de fluidos residuales, que en si mismo no tienen valor económico, pero estando a temperaturas superiores al ambiente, transportan calor, que al recuperarlo, tiene un valor energético (recuperación de energía) y económico. Además permite o contribuye a la conservación del medio ambiente, ayuda a que el ahorro de energía se traduce en un ahorro de combustible, disminución de masa de contaminantes (dióxido de carbono y otros), emitidos a la atmósfera. Los intercambiadores que por su construcción son: de flujo concéntrico y por el sentido en que se mueven los flujos denominados de flujo paralelo y de flujo en contracorriente. En el intercambiador de calor de flujos paralelos, el flujo másico más caliente intercambia calor con el flujo másico más frió a la entrada del intercambiador. al comienzo, la transferencia de calor es mayor debido a que la diferencia de temperatura es máxima, pero a lo largo del intercambiador esa diferencia disminuye con rapidez y las temperaturas de las dos corrientes se aproximan asintoticamente y con gran lentitud. en el flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frió nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente Lo largo del intercambiador. en el flujo en contracorriente la temperatura final del fluido frió (que es lo que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperatura favorable a todo lo largo del intercambiador de calor.

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los fluidos se mueven en forma perpendicular entre si, estos intercambiadores de calor pueden ser: tubulares con o sin aletas (placas), los fluidos pueden ser mezclados y sin mezclar. en la figura nº 2 se presentan estos tipos de intercambiadores de calor. Según el manual del ingeniero. perry y chilton.seccion 10 ¨¨transferencia de calor¨¨ mc graw hill

CALOR Y TEMPERATURA La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. en cambio, el calor es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. el calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. la energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta si no se realiza trabajo. la materia está formada por átomos o moléculas que están en constante movimiento, por lo tanto, tienen energía de posición o potencial y energía de movimiento o cinética. los continuos choques entre los átomos o moléculas transforman parte de la energía cinética en calor, cambiando la temperatura del cuerpo.

CALOR El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

TEMPERATURA La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. cuando se agrega calor a una sustancia, Departamento de Ciencias

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sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa. Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. la transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación

CONDUCCIÓN DEL CALOR La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. los mejores conductores de calor son los metales. el aire es un mal conductor del calor. los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.

VALORES DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Sustancia Aluminio

205.0

Cobre

385.0

Plomo

34.7

Mercurio

8.3

Plata

406.0

Acero

50.2

Hormigón

0.8

Vidrio

0.8

Hielo

1.6

Madera

Material

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0.12 - 0.04

Aire

0.024

Helio

0.14

Hidrógeno

0.14

Oxígeno

0.023

PVC

0.20

Punto Densidad de gr/cm³ fusión ºC

NYLON PA1,14 6 POLIAMIDA 1,15 PA-66 POLIAMIDA 1,15 PA-6G

k (W/mK)

Temperatura Resistencia máxima Alargamiento a rotura utilización a rotura % Kg/cm² continua ºC

213

90

>50

650

250

110

25

700

220

105

25

--

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POLIAMIDA PA-6+MoS2 POLIAMIDA PA-6 PLAC DELRIN POM ARNITE PETP TEFLON PTFE PVC

1,16

255

105

25

--

1,13

220

100

>10

--

1,41

165

100

400

600

1,38

250

100

15

750

2,20

327

260

250 a 400

200 a 300

1,40

110

60

150

550

De las diferentes sustancias mostradas en la tabla, utilizaremos el PVC, que tiene una conductividad térmica de 0.20 k (W/mK). 

Convección: Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. La convección en sí es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido 𝑄 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑓) Ley de Newton del enfriamiento 𝑄 = calor transferido en el tiempo ℎ = coeficiente de conductividad térmica 𝐴 = área en contacto con el fluido en m^2 𝑇𝑠 = temperatura de la superficie 𝑇𝑓 = temperatura del fluido no perturbado

DEFINICION DE TERMINOS BASICOS Intercambiador Es un equipo de transferencia de calor cuya función es cambiar la entalpía de una corriente. En otras palabras, un intercambiador transfiere calor entre dos o más corrientes de proceso a diferentes temperaturas. Usualmente no existen partes móviles en un intercambiador de calor, sin embargo, hay excepciones, tales como los regeneradores. Departamento de Ciencias

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Enfriador Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase.

Calentador Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la entalpía de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de agua, aceite caliente, fluidos especiales para transferencia de calor (Tema 8) ó una corriente de proceso de entalpía alta, por ejemplo, la descarga de un reactor operado a temperaturas elevadas.

Condensador Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El término Intercambiadores de Calor: Tipos Generales y Aplicaciones. Prof. Dosinda GonzálezMendizabal. I.1-2 condensador de superficie se refiere específicamente a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. Un condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua

Rehervidor Es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporización al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. Hay dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que envían dos fases a la torre para separar el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones) o circulación forzada.

III. HIPOTESIS Formulación de la Hipótesis De acuerdo a lo investigado, la mejor solución seria, crear un intercambiador de calor porque es un equipo utilizado para extraer calor de un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que esta menos caliente y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa a ambos fluidos.

IV.

MATERILES Y METODOS

Montaje experimental Departamento de Ciencias

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 tubo de 4 pulgada  reducciones de 4 a 2 pulgadas  manguera transparente de ½ pulgada  agua en diferentes temperaturas

PROCESAMIENTO DE DATOS Calcular las pérdidas de calor de 0.70 m de una tubería no aislada con diámetro d 1 = 0.102 m, por el interior de ésta corre agua con una temperatura media T 1 = 85°C y la temperatura ambiente del agua está a Ta = 20°C. El coeficiente de conductividad térmica del material del tubo es h = 0.20 k (W/mK). Determinar la temperatura con la que sale el agua fría después de haber estado sometida a convección.

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Solucion: 𝑄 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑓) formula: Datos L= 0.70m D1= 0.102m r=D/2=0.051 Ts= 85ºC Ta= 20ºC H= 0.20 (W/mK). 

Calculamos el área:

𝐴𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 2𝜋𝑟𝐻 0.102 𝐴𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 2𝜋 ( ) 0.70 2 𝐴𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0.2243 𝑚^2

Con los datos convertidos a ºK procedemos a reemplazar en la formula. 𝑄 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑓) 𝑄 = 0.20(0.2243)(85 − 20) 𝑄 = 2.912 º𝐶 En un tubo con una longitud de 0.70 m la temperatura de agua fría subirá 2 ºC

V.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor. Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. Departamento de Ciencias

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Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez.

VI.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Gentry, C.C., "RODbaffle Heat Exchanger Technology", Chem. Eng. Progress, pp. 4857 (1990).

Kals, W., "Air-Cooled Heat Exchangers: Conventional and Unconventional", Hydrocarbon Processing, pp. 139-149 (1994). Kern, D. Q., Procesos de Trasnferencia de Calor, Compañía Editorial Continental, S. A., México (1978). manual del ingeniero. perry y chilton.seccion 10 ¨¨transferencia de calor¨¨ mc graw hill (2001)

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