PREINFORME LABORATORIO DE PROCESOS IPrctica 1: Batera de calentamiento; Prctica 2: Batera de perdida

Catalina Camargo, Julin Cobos, Jos Daza, Ana Mara Gmez, Jenifer Guerrero, Ramiro Rivera, Lineth Sanabria, Mayadir Sandoval, Jhoan TellezLaboratorio de Procesos-Grupo A1, Escuela de Ingeniera Qumica, Universidad Industrial de Santander, 5 de junio de 2015.

RESUMEN

En las diferentes industrias los fluidos son de gran importancia, ya que constituyen desde las materias primas hasta las lneas de transferencia de energa en un proceso y por ende su transporte es de vital inters. Sin embargo dicho transporte se ve afectado por las prdidas de energa (calor, friccin, carga) a travs de las tuberas o por influencia del medio.

Un ejemplo claro de esta problemtica es cuando en un cuerpo la transferencia de calor entre dos o ms corrientes corresponde al intercambio de energa que ocurre gracias a los fenmenos de conduccin, conveccin (natural o forzada) y radiacin generados en el sistema, pero adems dicha transferencia puede ser aprovechada por la industria para formar intercambiadores de calor, los cuales se estudiaran en esta prctica.

Por otra parte se tendr en cuenta las prdidas de carga, las cuales se presentan por influencia del rgimen del fluido, sus propiedades fisicoqumicas y la naturaleza, geometra y rugosidad de la tubera y por lo tanto estas se presentan como una problemtica tanto en los equipos industriales como en la vida cotidiana.

INTRODUCCIN

El principal objetivo del laboratorio de procesos es conocer los fundamentos tericos y prcticos, as como adquirir habilidades en la aplicacin de stos desde prcticas a pequea escala y escalamientos a nivel industrial. El siguiente documento consta de un pre informe de preparacin para las prcticas de batera de calentamiento y batera de prdidas.

MARCO TERICO

1. BATERIA DE CALENTAMIENTO1.1 Transferencia de Calor.La transferencia de calor es la ciencia que se encarga de explicar el intercambio de energa entre cuerpos, el cual se define como calor. Esta transferencia de calor sucede mientras las cuerpos estn a diferentes temperaturas, una vez los cuerpos llegan a un equilibrio la transferencia se detiene. Adems de esto busca predecir la rapidez con la que bajo ciertas condiciones especficas se llega a una misma temperatura.

1.2 Mecanismos de transferencia de calor.El calor puede transferirse de tres formas diferentes; conduccin, conveccin y radiacin.

1.2.1 ConduccinLa transferencia de energa se da de las partculas ms energticas a las menos energticas como resultado de la interaccin entre ellas.Podemos afirmar que el flujo de calor por unidad de rea es proporcional al gradiente normal de temperatura.

Y a la anterior ecuacin se le conoce como la Ley de Fourier donde es la conductividad trmica es la transferencia [J] es Tiempo de ciclo de calentamiento [s]x es el espesor del serpentn [m]A es el rea transversal al flujo de calor [m2]T es la temperatura del contenido del material [K]

Figura 1. Conduccin. [2]

1.2.2 Conveccin

Se trata de la transferencia de energa entre un fluido en movimiento (lquido o gas) y una superficie slida. Entre ms rpido es el movimiento del fluido, mayor es la transferencia de calor por lo tanto se debe tener en cuenta que la conveccin depender de la viscosidad del fluido y de sus propiedades trmicas.

Este tipo de transferencia utiliza la Ley de enfriamiento de Newton:

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin A es el rea de la superficieq es el calor transferidoes la temperatura de la superficie es la temperatura alejada de la superficie

Figura 2.Conveccion. [4]

1.2.2.1 Conveccin natural

Se produce cuando una superficie slida est en contacto con un fluido de temperatura distinta. El movimiento es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por la diferencia de densidad debido a dicha diferencia de temperatura.

1.2.2.2 Conveccin forzada

De manera opuesta a la conveccin natural, en la conveccin forzada se obliga al fluido a fluir mediante el uso de medios externos como ventiladores o bombas. Es el ms usado en la industria.

1.2.2.3 Radiacin

En contraposicin a los mecanismos de conduccin y conveccin, el calor tambin puede transferirse a travs de una zona donde no se encuentre un medio material (vaco), en forma de ondas electromagnticas o fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas o molculas. Cuando esta transferencia involucra una diferencia de temperaturas, se conoce como radiacin trmica.

En este caso se utiliza la Ley de Stefan Boltzman de la radiacin, para la cual se muestra un radiador trmico como un cuerpo negro:

Dnde: es la constante de proporcionalidad [5,669 x 10-8 ]T es la temperatura de la superficieA es el rea de la superficie

Figura 3. Radiacin [7]

1.3 Intercambiadores de calor.

Son aquellos aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos, que se encuentran a diferente temperatura, sin que se mezclen entre ellos. Tienen mltiples aplicaciones tanto en el uso domstico como en la industria.

El intercambio de calor en estos se suele dar mediante mecanismo de transferencia tanto convectivo, entre los fluidos, como conductivo, con la pared. Dependiendo de su uso se requieren diferentes configuraciones en el equipo, por lo cual es posible encontrar varios tipos de equipos, entre los cuales se destacan los siguientes.

1.3.1 Intercambiadores de calor por tubo y carcasa

Es uno de los tipos ms comunes, el cual consta de un gran nmero de tubos empacados en un casco con sus ejes paralelos a ste. La transferencia de calor tiene lugar cuando uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos mientras que el otro se encuentra por fuera esto con el fin de que se aumente el rea para la convencin relativa.

Los tubos que constituyen este equipo pueden tener diferente grosor definidos por un calibrador que vara entre a 1 pulgada y que pueden estar distribuidos en distintos arreglos dependiendo de las ventajas requeridas en el proceso (rea de contacto, limpieza, tamao, entre otros).

Figura 4. Diferentes arreglos de tubos [1]

Dependiendo a su construccin se puede conseguir diferentes tipos:1.3.1.1 Intercambiador de calor de espejo fijo: Se utilizan con mayor frecuencia la cual se ha venido incrementado en aos recientes. Los espejos se sueldan a la coraza, esta construccin requiere que los materiales se puedan soldar entre s.

Figura 5. Intercambiador de calor de espejo [1]

1.3.1.2 Intercambiador de calor de tubo en U: El haz de tubos consiste en un espejo estacionario, tubos en U (o de horquilla), deflectores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. Ejemplo: los rehervidores de calderas, los evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con secciones ampliadas de la coraza para la separacin del vapor y el lquido.

Figura 6. Intercambiador de calor de tubo en U [1]

1.3.1.3 Intercambiador de doble tubo: Este tipo de intercambiador de calor est formado por uno o ms tubos pequeos contenidos en un tubo de dimetro ms grande. Al tubo externo se le llama anulo.

Figura 7. Intercambiador de calor de doble tubo [1]

1.4 Equipo

Figura 8. Equipo [3]

La batera de calentamiento es un depsito que consta de un serpentn interno o es enchaquetado, adems de una fuente de agitacin y un intercambiador de calor externo.

1.4.1 Partes del equipo

Agitadores. La agitacin de un lquido se efecta generalmente mediante un aparato giratorio (Agitacin mecnica); sin embargo, esparcir un gas sobre el contenido de una vasija o recircular ste ltimo, son tambin medios usados para proporcionar agitacin.

Vasija. Las tpicas vasijas agitadas son cilindros verticales de seccin circular cuyo fondo no es completamente plano para evitar la presencia de zonas muertas. Los lquidos generalmente se mantienen a una profundidad de uno a dos dimetros de la vasija.

Bafles. La instalacin de bafles es el mtodo ms utilizado para evitar la formacin de vrtice y remolinos. Los bafles estndar constan de cuatro tiras planas verticales que se extienden en la profundidad total del lquido y se ubican en forma radial cada 90 grados alrededor de la pared de la vasija.

Serpentines. Los serpentines constituyen uno de los medios ms econmicos para transferir calor. Son generalmente hechos mediante el enrollamiento de tubos de cobre o acero en diferentes formas.

Intercambiador de calor. Un intercambiador de calor es un equipo que realiza una funcin doble: calienta un fluido fro por medio de un fluido caliente, que se enfra. Existen diversos tipos, pero los de tubo y carcasa se constituyen en los de mayor aplicabilidad en procesos de transferencia de calor sin combustin.

2. BATERIA DE PRDIDASEn una tubera, la perdida de carga es la perdida de energa dinmica del fluido debido a la friccin de partculas, este fluido puede presentar tres tipos de regmenes de flujo en los que se encuentran el rgimen laminar, el transicional y el turbulento. Flujo laminar: caracterizado por lneas de corrientes suaves y movimiento ordenado a lo largo de trayectorias uniformes, en capas con el mismo sentido y magnitud. Para este flujo el nmero adimensional Reynolds coincide con valores bajos (< 2300) y se presenta a bajas velocidades. Flujo transicional: no se distingue si es laminar o turbulento. Su nmero de Reynolds se encuentra entre 2300 y 4000. Depende de la geometra y rugosidad de la tubera. Flujo turbulento: tiene fluctuaciones de velocidad y movimiento desordenado a lo largo de trayectorias confusas, con formacin de torbellinos. Para este caso el nmero de Reynolds tiene valores altos (>4000) y se presenta a altas velocidades.

Figura 9. Rgimen de flujo [2]Como se puede apreciar el flujo en una tubera depende principalmente de las fuerzas inerciales y las viscosas, las cuales estn relacionadas en el nmero de Reynolds de la siguiente manera:

2.1 Perdidas de carga por friccinLa prdida de carga se produce por la viscosidad y se relaciona directamente con el esfuerzo de corte de la pared del tubo. Existen dos clases: primarias ysecundarias. 2.1.1. Primarias: son las prdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubera (Capa Limite), rozamiento de unas capas de fluidos con otras (Rgimen Laminar) o delas partculas de fluido entre s (Rgimen Turbulento). Estas dependen de: El estado de la tubera. El material de la tubera. Velocidad del fluido. Longitud de la tubera. Dimetro de la tubera.

2.1.2. Secundarias:son las prdidas de forma, tienen lugar en las transiciones (estrechamiento o expansiones de la corriente), codos, vlvulas, y en toda clase de accesorios de tubera. Estas prdidas tambin se pueden llamar prdidas menores y se expresan en trminos del coeficiente de prdida k (coeficiente de resistencia).

Un inters considerable en el anlisis de flujo de tubera es el que causa la cada de presin P, porque est directamente relacionada con la potencia necesaria para que la bomba mantenga el flujo. Una cada de presin ocasionada por efectos viscosos representa una prdida de presin irreversible llamada perdida de presin PL.Estas prdidas de presin se expresan en trminos de la altura de la columna de fluido equivalente, llamada perdida de carga hL,

Esta representa la altura adicional que el fluido necesita para elevarse por medio de una bomba con la finalidad de superar las perdidas por friccin en la tubera. 2.2 Factor de friccin.Es un parmetro para calcular la perdida de carga en una tubera debido a la friccin. Es funcin del nmero de Reynolds y de la rugosidad, expresa la relacin entre la perdida de cantidad de movimiento y la carga de energa cintica.

2.2.1 Clculo del factor de friccin.

2.2.1.1 Rgimen laminar:

2.2.1.2 Rgimen turbulento: Turbulento Liso: Ecuacin de Karmann-Prandtl.

Turbulento intermedio: Ecuacin de Colebrook simplificada.

Turbulento rugoso: Ecuacin de Karmann-Prandtl.

2.3 Diagrama de MoodyEl diagrama de Moody-Rouse es uno de los ms utilizados para calcular la prdida de carba distribuida. Se entra con el valor de e/D (rugosidad relativa) y el nmero de Reynolds (Re), obtenindose en ella el valor de f (coeficiente de rozamiento).La frmula de prdida de carga para la aplicacin del diagrama de Moody-Rouse es:

Dnde:hl: prdida de carga;f: coeficiente de rozamiento; L: largo de la tubulacin;D: dimetro de la tubulacin; v: velocidad;g: aceleracin de la gravedad.La rugosidad relativa es expresada por el cociente entre el dimetro de la tubulacin y la rugosidad absoluta (e/D).El coeficiente de rozamiento f debe ser calculado correctamente para estimarse con precisin la prdida de carga. l, por su parte, depende de la velocidad del escape, dimetro, masa especfica, viscosidad y rugosidad del ducto.

Figura 10. Diagrama de Moody [6]3. BIBLIOGRAFA[1]DELGADO, Gregorio. Intercambiadores de calor. Operaciones unitarias II. Escuela de Ingeniera Qumica. Meriada: Universidad de los Andes, 2001.Pg 4-11.[2]CELGEL, Yunis. Transferencia de Calor y Masa: Un enfoque prctico. Tercera de edicin. Mxico: McGraw-Hill, 2007. Pgs. 28, 635-639.[3]Batera de calentamiento elctrica GC-air. [Citado el 31 de mayo de 2015]. Disponible en: [4] Propagacin del calor: conduccin, conveccin y radiacin. [Citado 30 de Mayo de 20015]. Disponible en [5] Laboratorio de operaciones unitarias 1. [Citado 31 de Mayo del 2015]. Disponible en [6] Diagrama de Moody. La gua de Fsica. [Citado 31 de Mayo del 2015.Disponible en [7] Propagacin del calor: formas y ejemplos. [Citado 29 de Mayo del 2015]. Disponible en