Informe 1

Transferencia de Calor I Ubillas Alcalde, Carlos A. (20151335F); Gamarra Estrada, Gianfranco (20151332G); Jeanpierre, Paredes Tocas (Código); Felix Lluque, Cintia (Código). Escuela de Ingeniería Petroquímica, FIP-UNI. PI-135 A - Laboratorio de Operaciones Unitarias I, 06-04-2019 e-mail Autor 1; [email protected]; Autor 3; Autor 4 Resumen: En la actualidad los intercambios de calor son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones desde sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento hasta la producción de energía en las plantas grandes. En el presente informe trata la comprobación de las ecuaciones de diseño de un precalentador eléctrico utilizando como fluido al agua, un reactor de flujo de la empresa EDIBON QRFT el cual tiene una alimentación impulsado mediante una bomba peristáltica y el software SACED-QRFT; se encenderá la bomba y el precalentador; el agua será controlado a través de un rotámetro en las aperturas de 30, 60 y 80%, se medirá el volumen acumulado respecto al tiempo junto a las temperaturas de entrada y salida necesarios para la determinación del flujo de agua. Finalmente se determinó de manera iterativa el coeficiente global de transferencia de calor, la temperatura de la superficie y el rendimiento del precalentador. EDITAR AÚN Abstract Today heat exchanges are commonly used in a wide variety of applications from domestic heating and conditioning systems to the production of energy in large plants. This report deals with the verification of the design equations of an electric preheater using a fluid flow reactor from the company EDIBON QRFT, which has a feed powered by a peristaltic pump and the SACED-QRFT software; the pump and the preheater will light; the water will be controlled through a rotameter in the openings of 30, 60 and 80%, the volume accumulated with respect to time will be measured together with the inlet and outlet temperatures necessary for the determination of the water flow. Finally, the global heat transfer coefficient, the surface temperature and the performance of the preheater were determined iteratively.

1. INTRODUCCIÓ N Los procesos industriales referentes a la ingeniera petroquimica y química tratan consigo la transferencia de calor entre fluidos, basicamente todas la operaciones conllevan la produccion o adsorcion de energía en forma de calor. En los procesos industriales se gasta mucho dinero calentando fluidos, y en muchas ocasiones, se hace necesario recuperar el calor con el objeto de ahorrar combustible. Una forma de recuperar el calor de manera eficiente es mediante un intercambiador de calor, principalmente entre dos corrientes o fluidos de un proceso. El calor es recuperado al transferirse de una corriente de mayor temperatura a una corriente de menor temperatura. Existen muchos aparatos para la transferencia de calor, entre ellos encontramos a los enfriadores de aire, precalentadores, condensadores, hervidores, condicionadores de aire, etc. En esta práctica se hara utilidad de un precalentador electrico para regir y comprobar

las ecuaciones para el diseño de un intercambiador, pero antes de ello se hará mención de las definiciones importantes que se debe conocer en la elaboración y funcionamiento de un intercambiador.

FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO

Los términos de flujo laminar y el flujo viscoso generalmente se usan de manera indistinta para dar a entender el movimiento de un fluido en láminas o capas más o menos paralelas, a diferencia de un flujo turbulento, en el cual las partículas de fluido se mueven de una manera desordenada e irregular. De manera más específica, es la relación entre las fuerzas debidas a la viscosidad y las fuerzas debidas al movimiento o de inercia, expresada a través del conocido número de Reynolds, la que resume el comportamiento del fluido como laminar o turbulento.  

Flujo Laminar Re < 2100 Flujo de transición



2100< Re < 4000 Flujo Turbulento Re > 4000

NÚMEROS ADIMENSIONALES

Número de Nusselt (Nu): Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si solo existiese conducción. Obteniendo la ecuación general:

Para tubo circular:  Cuanto mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección.  Si el número de Nusselt es igual a uno para una capa de fluido, entonces la transferencia de calor a través de ésta es por conducción pura.  El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural. Número de Prandtl (Pr): Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de

movimiento y la difusividad molecular del calor. También equivale a decir que, es la relación existente entre el espesor de la capa límite hidrodinámica (δh) y el espesor de la capa límite térmica (δt) (ambos conceptos de capa límite se definen más adelante):

Número de Reynolds (Re): Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de fluido. Es un indicativo del tipo de flujo de fluido, laminar o turbulento.

 Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento mientras que para un valor pequeño indica régimen laminar.  El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada. Teoria de capa limite hidrodinamica y termica.

Para número de Reynolds grandes, existe una región delgada adyacente a la pared donde la viscosidad y la conductividad actúan de manera importante, teniéndose gradientes de velocidad y de temperatura en dirección paralela a la pared, relativamente grandes en una distancia muy corta (δ), la velocidad y la temperatura alcanzan valores correspondientes al flujo libre no perturbado. Fuera de esta región, el fluido se comporta prácticamente como si no tuviera viscosidad y como si no condujera calor

Figura 2: Comportamiento de la capa limite termica e hidrodinamica Diferencia de temperatura media logaritmica (LMTD) Segun los siguientes arreglos se puede escribir según la ecuacion:

= T2, y la temperatura del receptor se incrementa (figura 3c)

Figura 3: Distribucion temperatura en intercambiadores  Para el intercambiador de contraflujo, donde los fluidos fluyen en sentidos contrarios a través del intercambiador (figura 3a)

 Para el intercambiador de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el mismo sentido a través del intercambiador (figura 3b)

 Para el intercambiador que tiene temperatura constante, Ts = T1

 Para el intercambiador que tiene temperatura del receptor es constante, ts = t1 = t2, y la temperatura fuente disminuye (figura 3d)

2. METODOS Y MATERIALES Descripción de la metodología aplicada y del montaje experimental, esquemas y figuras aplicables al proceso.

3. RESULTADOS Y DISCUSION 3.1 Resultados Tablas Tabla 1: Datos experimentales % Volumen Apertura (ml) 300 25 600 1000 300 60 600 1000

Tabla 2: Caudal (Q) y temperatura media (Tm) % Apertura Q (m3/s) 3.13676E25 3.15922E3.1836E-0 5.53097E60 5.6338E-0 5.70386E-

Tabla 3: Propiedades del agua evaluadas a Tm Tm ρ ν(m/s2) (ºC) (Kg/m3) x10^6 (W/m 31.45 995.42 0.778 0.6 33.05 994.78 0.754 0.6 34.15 994.34 0.737 0.6 31.10 995.56 0.784 0.6 31.60 995.36 0.776 0.6 32.35 995.06 0.765 0.6 Considerando el flujo de calor constante: Nu= 4.36, Re<2100 (Flujo Laminar) Tabla 4: Cálculos del Reynold, constante transferencia convectivo y rendimiento V (m/s) ν Re (m/s2) x10^6 1.11E-01 0.778 854.97 1.12E-01 0.754 889.16 1.13E-01 0.737 916.58 tiempo 1.96E-01 0.784 1497.2 1.99E-01 0.776 1540.1 95.64 2.02E-01 0.765 1582.7 189.92 314.11 Tabla 5: Cálculos 54.24 usando la 106.5 correlación Hausen 175.32 para flujo laminar Lo=0.47 m Q h

h (W/m K) 448.5 450.4 451.7 448.1 448.7 449.6

H

L

(m3/s)

(W/m2K)

3.1E-06 3.2E-06 3.2E-06 5.5E-06 5.6E-06 5.7E-06

626.26 628.15 629.42 627.05 627.70 628.62

Tabla 6: Cálculos usando la correlación Sieder-Tate para flujo laminar Lo=0.47 m Q (m3/s) 3.1E-06 3.2E-06 3.2E-06 5.5E-06 5.6E-06 5.7E-06

h (W/m2K) 740.17 748.50 754.69 892.30 900.29 907.89

3.2 Discusión 4. CONCLUSIONE S

5. RECOMENDAC IONES

Anexos o Apéndice Cálculo del coeficiente de convección para el agua (h) para cada flujo.



Caculo del número de Reynolds Re:

… (1)

(caudal)=(Velocidad) (Área); Q=VA … (2) A =πD2/4 … (3) Donde el caudal Q, se puede expresar en (ml/s), Entonces, reemplazando (2) y (3) en (1) se tiene:

 Aplicando la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

…….(b)

…(4) Donde: v: caudal en ml/s u: viscosidad en Kg/ms D: 0.006 m Entonces: Cuadr o de caudal y Re V(ml/s) p(kg/m3) 995.42 3.1 994.78 3.2 994.34 3.2 995.56 5.5 995.36 5.6 995.06 5.7 Cuadro a (Según los cálculos el fluido tiene comportamiento laminar) Se derivan las siguientes ecuaciones

 Igualando los flujos de calor:

Iteración para el cálculo de la longitud

 Los valores Re y Pr se reemplazan en las correlaciones respectivas a usar:

Correlación de Hausen para flujo laminar:

….(a) ,

En este caso vemos que nuestro número de Nusselt depende de la longitud de la tubería, por lo que debemos darle un valor inicial cualquiera, sea Lo=0.47 m. El diámetro es conocido, D=0.006 m, entonces el número de Nusselt es calculable y también el coeficiente de convección (h) ya

que estos relacionados:

están

3.1 3.2 3.2 5.5 5.6 5.7

…(5)

626.26 628.15 629.42 627.05 627.70 628.62 Lprom

k: 0.617 (W/m.k) Entonces para Lo se tiene: Nusselt 6.09 Cuadro b Entonces Se tiene: Cp=4178.48(J/Kg.ºC) Q (ml/s) 3.1 Entonces:

Para cálculo de la Ts se itera la ecuación (a): Dados que h. As, m, Cp, T1 y T2 son conocidos se puede calcular el Ts para cada caudal. Iterando con un valor inicial de Tm Q (ml/s) 3.1 3.2 3.2 5.5 5.6 5.7

Q (m3/s) 3.1E-06

a= 692.43

Iterando de la ecuación (b) y tomando Lo=0.47m L =0. Con este valor de L se corrige el Nusselt y tambien el h. Se tiene para cada caudal:

Q (ml/s) 3.1 3.2 3.2 5.5 5.6 5.7

Q (ml/s)

de

correspondiente que nos permita tener un valor de L lógico.

h(W/Km2)

32.63 36.47 39.11 31.74 32.92 34.69

0.761 0.705 0.670 0.775 0.756 0.729

Todo este método es

Nussel Donde viscosidad 6.09 depende de la T 6.08 6.08superficial (Ts), por 6.10lo tanto, también se 6.10itera de acuerdo al de Ts 6.10valor

Para la longitud se tiene:

U Ts (Kg/ms)*10^3

h(W/Km2)iterativo, mediante la 626.26 interpolación de 628.15 valores de 629.42 viscosidad. 627.05 627.70 En el cual el valor 628.62 longitud asumida es

Con la correlación de Hausen Correlación Sieder y Tate

Ts (ºC)

de 0.47m, y los valores de Ts asumidos están en la tabla. Para la siguiente correlación se procede de manera similar con las propiedades del líquido y se obtiene: Q (ml/s) 3.1 3.2 3.2 5.5 5.6 5.7

h(W/Km2) 740.17 748.50 754.69 892.30 900.29 907.89 Lprom

Referencias bibliográficas