banco de tubos y ebullición

Laboratorio de Ingeniería II

Práctica 3: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE

(EBULLICIÓN)

Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 1

PROF. Ing. Mario Smidt

Ingeniería DE ALIMENTOS-INGENIERÍA QUÍMICA

Facultad de ciencias químicas- una

2015

Práctica 3: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (E)


1. Demostrar visualmente las formas de ebullición.

2. Determinar el flujo térmico y el coeficiente de transferencia de calor de ebullición

que se establece entre la superficie calefactora y el líquido en ebullición a presión

constante.

3. Determinar el efecto de la presión sobre el flujo térmico crítico.

OBJETIVOS



INTRODUCCIÓN

El cambio de estado de líquido a vapor debido a la ebullición se sostiene por la

transferencia de calor desde la superficie sólida; de manera inversa, la condensación de

un vapor tiene como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida.

Dado que implican el movimiento del fluido, se clasifican como un modo de

transferencia de calor por convección.

Ellas difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de

vaporización del fluido.

Típicamente los coeficientes de transferencia de calor asociados a la ebullición y

condensación son mucho más altos que los que se encuentran en otras formas de

procesos convectivos.



INTRODUCCIÓN



INTRODUCCIÓN

Como una forma de transferencia de calor por convección, el flujo de calor en la

ebullición, de una superficie sólida hacia el fluido, se expresa con base a la ley de

Newton del enfriamiento como

Donde Δtexceso=Ts-Tsat se llama temperatura en exceso, la cual representa el exceso de

temperatura superficial por encima de la saturación del fluido.

La ebullición se clasifica como ebullición en estanque o ebullición en flujo,

dependiendo de la presencia de movimiento masivo del fluido.



INTRODUCCIÓN

Las ebulliciones en estanque y en flujo se clasifican todavía más como ebullición

subenfriada o ebullición saturada, dependiendo de la temperatura de la masa de

líquido.

Se dice que la ebullición es subenfriada o local cuando la temperatura de la masa

principal del líquido está por debajo de la temperatura de saturación; y es saturada o

masiva, cuando la temperatura del líquido es igual a la temperatura de saturación.

Cuando toda la masa de líquido alcanza la temperatura de saturación, las burbujas

empiezan a subir hasta la parte superior y se pueden ver burbujas en toda la masa de

líquido.



EBULLICIÓN EN ESTANQUE

Debido a la tensión superficial, el vapor en el interior de la burbuja ha de hallarse a una

presión a una presión más elevada que el líquido que la rodea. La diferencia de presión

aumenta a medida que el diámetro de la burbuja disminuye, siendo insignificante

cuanto esta es grande.

En las primeras etapas de la ebullición las burbujas se encuentran confinadas en una

angosta región cercana a la superficie caliente. Esto se debe a que el líquido adyacente a

la superficie caliente se vaporiza como resultado de ser calentado arriba de su

temperatura de saturación.

Pero estas burbujas desaparecen pronto al alejarse de la superficie caliente, como

resultado de la transferencia de calor de ellas hacia el líquido más frío que las rodea.

Esto sucede cuando la masa del líquido está a una temperatura más baja que la de

saturación. Las burbujas sirven como “movedores de energía”, de la superficie caliente

hacia la masa de líquido, absorbiendo calor de aquélla y liberándolo en ésta a medida

que se condensan y aplastan.



EBULLICIÓN EN ESTANQUE

El trabajo que abrió camino en relación con la ebullición fue realizado en 1934 por S.

Nukiyama, quien utilizó en sus experimentos alambres de nicromio y de platino

calentándolos eléctricamente sumergidos en líquidos.

Advirtió que la ebullición toma formas diferentes, dependiendo del valor de la

temperatura en exceso, . Se observaron cuatro regímenes diferentes de ebullición:

ebullición de convección natural, ebullición nucleada, ebullición de transición y

ebullición en película.

Estos regímenes se identifican en la curva de ebullición. La curva específica pertenece

al agua a 1 atm, aunque tendencias similares caracterizan el comportamiento de otros

fluidos.



EBULLICIÓN DE CONVECCIÓN NATURAL

Cuando la temperatura de la superficie de calentamiento es ligeramente superior a la

temperatura de saturación del líquido, es improbable que la presión de vapor excesiva

produzca burbujas.

El líquido calentado localmente se expande y las corrientes de convección lo desplazan

a la interface del líquido-vapor en la que tiene lugar la evaporación y en donde se

restablece el equilibrio térmico.

De esta manera, mediante esta modalidad, la evaporación tiene lugar bajo pequeñas

diferencias de temperaturas y sin formación de burbujas.

El régimen de ebullición en convección natural (Texceso 5°C) está determinado por las

corrientes de convección natural y, en este caso, las velocidades de la transferencia de

calor se pueden calcular con exactitud usando las relaciones de la convección natural.



EBULLICIÓN NUCLEADA

A medida que la superficie resulta más caliente, aumenta el exceso de presión de vapor

con respecto a la presión local del líquido y, finalmente, se forman burbujas. Estas

surgen en puntos nucleantes sobre la superficie caliente en la que las diminutas

cavidades de gas, existentes en defectos superficiales, consituyen el núcleo para la

formación de una burbuja.

Tan pronto como se forma una burbuja, se expande rápidamente a medida que el líquido

calentado se evapora dentro de ella. La flotación separa la burbuja de la superficie y

empieza a formarse otra.

La ebullición nucleada se caracteriza por la vigorosa formación de burbujas y

turbulencia. En la ebullición nucleada se experimentan tasas de transferencia de calor

excepcionalmente elevadas y coeficientes de transferencia de calor con diferencias

moderadas de temperatura y, en aplicaciones prácticas, la ebullición se realiza casi

siempre dentro de esta modalidad.



EBULLICIÓN NUCLEADA

En el régimen de ebullición nucleada (5°C ≤Texceso ≤ 30°C) la razón de la transferencia

de calor depende fuertemente de la naturaleza de la nucleación (el número de sitios

activos de nucleación sobre la superficie, la rapidez de la formación de burbujas en cada

sitio, etc.), lo cual es difícil de predecir.

El tipo y la condición de la superficie calentada también afectan la transferencia de

calor. Estas complicaciones dificultan desarrollar relaciones teóricas para la

transferencia de calor en el régimen de ebullición nucleada y se necesita apoyar en

relaciones basadas en datos experimentales.

La correlación que se usa con mayor amplitud para el flujo de calor en el régimen de

ebullición nucleada fue propuesta en 1952 por Rohsenow y se expresa como



EBULLICIÓN DE TRANSICIÓN

A medida que se incrementa la temperatura de exceso, el flujo de calor disminuye. Esto

se debe a que una fracción grande de la superficie del calentador se cubre con una

película de vapor, la cual actúa como un aislante debido a su baja conductividad térmica

en relación con la del líquido.

En el régimen de ebullición de transición se tienen en forma parcial tanto ebullición

nucleada como en película. En la práctica se evita operar en el régimen de ebullición de

transición, el cual se conoce también como régimen inestable de ebullición de película.



EBULLICIÓN DE PELÍCULA

Por encima de la diferencia crítica de temperatura entre la superficie el líquido, se

encuentra que la superficie está encerrada en vapor y el líquido no puede humedecer la

superficie.

Cuando esto sucede hay una reducción considerable en la tasa de transferencia de calor

y si no se reduce inmediatamente la tasa de calor para cesar la reducción en la habilidad

de la superficie de transferir calor, la temperatura del metal aumentara hasta que la

radiación de la superficie más la transferencia limitada de calor de ebullición de película

sea igual a la energía de entrada.



CURVA DE EBULLICIÓN DE NUKIYAMA



REGÍMENES DE EBULLICIÓN



UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN




EXPERIMENTAL 1: Demostración visual de las tres modalidades de ebullición.Encienda la alimentación eléctrica y abra el suministro de agua, y ajuste ambos valores muy

bajos (<20 watts). Deje que el indicador de temperatura se estabilice. Observe éste y la

temperatura del líquido con frecuencia.

Observe cuidadosamente el líquido que rodea la resistencia. Se podrán observar corrientes de

convección, y al mismo tiempo se verá que se recolecta líquido y gotea en los serpentines del

condensador, indicando que la evaporación está ocurriendo aunque a una tasa reducida. Aumente

en incrementos dados la potencia, manteniendo la presión de vapor en cualquier valor constante

ajustando la tasa de flujo de agua del condensador mediante la válvula de control.

Pronto empezará y aumentará la ebullición nucleada hasta que se observe la ebullición vigorosa,

la diferencia de temperatura entre el líquido y el metal será todavía bastante moderada (<20°C).

Aumente el consumo de calor, y entre 300 y 400 watts se podrá ver que la naturaleza de la

ebullición cambia radicalmente y al mismo tiempo la diferencia de temperatura entre el metal y el

líquido aumentará rápidamente. Si se examina cuidadosamente la superficie del calentador se

podrá observar que está rodeada de una película prácticamente ininterrumpida de vapor y que

esto es la causa de la disminución en la tasa de transferencia de calor.




EXPERIMENTAL 2: Determinación del flujo térmico y el coeficiente de

transferencia de calor superficial de ebullición nucleada a varias presiones de

saturación.

Ajuste el consumo de calor en aproximadamente 50 watts y ajuste la tasa del flujo de agua del

condensador hasta que se alcance la presión del condensador deseada. Observe los vatios, la

presión del vapor, la temperatura del líquido y la temperatura del metal. Aumente el consumo de

calor en intervalos regulares, ajuste la tasa de flujo de agua del condensador para dar la presión

deseada y cuando esté estable, espere 5 minutos y repita la observación.

Repita usando incrementos similares, hasta alcanzar la transición de ebullición nucleada a de

película. Ajustando cuidadosamente el consumo de calor cerca de esta condición es posible

realizar una evaluación exacta de las condiciones críticas.

Realice los cálculos correspondientes.




EXPERIMENTAL 2: Determinación del flujo térmico y el coeficiente de

transferencia de calor superficial de ebullición nucleada a varias presiones de

saturación.




EXPERIMENTAL 3: Determinación del efecto de la presión sobre el flujo térmico

crítico a varias presiones de saturación.

El método es similar al experimento 2, pero mediante un ajuste cuidadoso del consumo

de calor y la tasa de flujo de agua del condensador, se puede determinar el flujo térmico

de transición entre la ebullición nucleada y de película a una diversidad de presiones.

Graficar los resultados encontrados.

Laboratorio de Ingeniería II

Práctica 4: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL

(UN TUBO)


PROF. Ing. Mario Smidt

Ingeniería DE ALIMENTOS- INGENIERÍA QUÍMICA

Facultad de ciencias químicas- una

2015



1. Determinar la tasa de transferencia de calor en estado de equilibrio, diferencia en

las temperaturas y coeficiente de transferencia de la temperatura de superficie para

un único tubo en una corriente de aire fluyendo transversalmente.

2. Comparar los datos obtenidos experimentalmente con las correlaciones aceptadas

suministradas por la bibliografía (Churchil y Bernstein, Hilper y Zhukauskas).

OBJETIVO



INTRODUCCIÓNSe han desarrollado muchos tipos de cambiadores de calor para transferir calor entre

dos fluidos. En uno de los sistemas más comunes el calor es transferido entre un flujo

circulando a través de un grupo de tubos y otro fluido en el exterior, circulando en el

sentido transversal. Esta configuración es conocida como cambiador de calor de

corriente transversal

Los tubos pueden ser dispuestos de diferentes maneras para incrementar la eficacia del

cambiador de calor de corriente transversal y reducir su tamaño, para un rendimiento de

transferencia de calor determinado. Todas estas distribuciones de los componentes

tienen el objeto de promover la turbulencia en el fluido en torno del grupo de tubos..



INTRODUCCIÓN

Esto se debe a que el coeficiente de transferencia de calor total para un cambiador de

calor de corriente transversal se compone de tres elementos:

i. El coeficiente de transferencia de la temperatura de superficie para el fluido

circulando a través de los tubos.

ii. La conductividad térmica y espesor del material utilizado para construir los tubos.

iii. El coeficiente de transferencia de calor de la superficie para el fluido circulando en

torno a los tubos.



FLUJO ALREDEDOR DE CILINDROS

En la práctica con frecuencia se encuentra el flujo que pasa alrededor de cilindros. Por

ejemplo, los tubos de un intercambiador de calor de coraza y tubos involucran flujo

interno, por los tubos, y flujo externo, sobre éstos; y ambos deben ser considerados para

el análisis de un intercambiador.

La longitud característica para un cilindro circular se toma igual al diámetro externo

D. Por consiguiente, el número de Reynolds se define como Re=ReD=VD/ν, donde V es

la velocidad uniforme del fluido al aproximarse al cilindro o esfera.

El número de Reynolds crítico para el flujo que pasa a través de un cilindro circular o

una esfera es alrededor de Recr≈2x105.

El flujo cruzado sobre un cilindro exhibe patrones muy complejos. El flujo que se

aproxima al cilindro se ramifica y rodea al cilindro, formando una capa limite que lo

envuelve. Las partículas de fluido sobre el plano medio chocan contra el cilindro en el

punto de estancamiento, haciendo que éste se detenga por completo y, como

consecuencia, elevando la presión en ese punto.




La presión disminuye en la dirección del flujo, al mismo tiempo que aumenta la

velocidad de éste último.

En general, los flujos alrededor de cilindros y esferas comprenden separación del flujo,

el cuál es difícil de manejar de manera analítica. Por lo tanto, los flujos de ese tipo

deben estudiarse de manera experimental o numérica.

El complicado patrón de flujo alrededor de un cilindro influye mucho sobre la

transferencia de calor.




En el caso de un cilindro aislado en condiciones de corriente transversal turbulenta

generalmente se acepta la siguiente relación para los números de Reynolds (fundados en

el diámetro del cilindro entre 4000 y 40000).

Alternativamente una correlación desarrollada más recientemente, es aplicable entre los

números de Reynolds entre 10 y 105.

Otra correlación disponible en la literatura para el número de Nusselt en lo relativo al

flujo cruzado sobre un cilindro, es la correlación propuesta por Churchill y Bernstein




Desde el punto de vista de los cálculos de ingeniería, estamos más interesados en las

condiciones promedio globales. La correlación empírica debida a Hilper

La correlación que se debe a Zhukauskas, es de la forma




donde todas las propiedades se evalúan a la temperatura del fluido excepto Prs, que se

evalúa a la temperatura de la superficie del elemento calefactor. Si Pr≤10, n=0.37; Si

Pr≥10, n=0.36.



CAMBIADOR DE CALOR DE CORRIENTE TRANSVERSAL




EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor en estado

de equilibrio, diferencia en las temperaturas y coeficiente de transferencia de la

temperatura de superficie para un único tubo en una corriente de aire fluyendo

transversalmente.

Comprobar que el conmutador del suministro de electricidad principal se encuentra

en la posición desconectado. Comprobar que el ventilador está desconectado.

Si no se ha instalado la placa de tubo único, remover las cuatro tuercas de bronce

con estrías reteniendo la placa de tubos de plástico transparente. Remover la placa

de tubos y reemplazarla con la placa de tubo único. Atornillar las tuercas de bronce.

Insertar el elemento activo en la perforación de la placa de tubo único. Enchufar el

cable a la consola de instrumentos.

Conectar el medidor de presión del conducto al tubo de la derecha del manómetro

superior, con el tubo gris suministrado con el equipo. La letra en el manómetro

usado y la de la placa de tubo deben coincidir.

Cerrar el amortiguador de iris en la descarga o salida del ventilador, ubicando su

palanca en la posición 9. Oprimir el boton de puesta en marcha del ventilador.







transversalmente.

Ajustar el amortiguador de iris conjuntamente con el manómetro de la entrada para

obtener una corriente de aire lenta a través del conducto (una depresión H de

aproximadamente 4 mm H2O).

Poner el conmutador de voltaje en la posición de 70V. Deprimir el interruptor

principal en la consola de instrumentos. Ajustar el control del calefactor para

producir una temperatura de supericie de elemento activo indicada ts de

aproximadamente 95°C. Debido a que la velocidad de transferencia del calor es

reducida cuando la velocidad del aire es baja, es aconsejable ajustar el control del

calefactor en forma gradual, con pausas entre cada ajuste para permitir que el

sistema se estabilize.

Al obtenerse las condiciones estables, indicadas por una temperatura de elemento

activo constante (ts), tomar nota de ta (deprimiento el conmutador de polarización, H

y V).







transversalmente.

Ajustar el amortiguador del iris en la salida del ventilador para incrementar la

depresión del aire indicada H y, por lo tanto, la velocidad en el conducto.

Ajustar el control del calefactor para obtener aproximadamente la temperatura de

superficie del elemento activo original ts.

Nuevamente, cuando el aparato se encuentre estable, registrar ts, ta, H y V.

Repetir estas operaciones con velocidades de aire cada vez más altas, hasta alcanzar

el máximo (con el amortiguador del iris totalmente abierto).

Repetir las pruebas con temperaturas de superficie del elemento activo más bajas.

Con estas pruebas se permitirá investigar los efectos de las diferencias en la

temperatura sobre la velocidad de transferencia de la temperatura.







transversalmente.







transversalmente.

¡IMPORTANTE!

Comparar los datos obtenidos experimentalmente con las correlaciones aceptadas

suministradas por la bibliografía (Churchill y Bernstein, Hilper, Zhukauskas, etc.) y

hacer gráficas en las que se compare los valores experimentales con los resultados de

las correlaciones a las condiciones estudiadas (diferentes temperaturas).




EXPERIMENTAL 2: Comparar los datos obtenidos experimentalmente con las

correlaciones aceptadas suministradas por la bibliografía (Churchill y Bernstein,

Hilper, Zhukauskas, etc.) y hacer gráficas en las que se compare los valores

experimentales con los resultados de las correlaciones a las condiciones estudiadas

(diferentes temperaturas).

De cara a apreciar la aproximación de las predicciones de las correlaciones dadas al

fenómeno físico medido, se deben representar en gráficos los resultados obtenidos. En

el eje de las abscisas el coeficiente predicho por cada correlación y en el de ordenadas

el coeficiente experimental, de forma que cuanto más cercanos sean los puntos a la

diagonal, mejor es la predicción.

Para un mejor entendimiento de la validez de la predicción, se representar líneas de

20% y 40% sobre la diagonal, con el fin observar los puntos de ensayo que caen dentro

de cada rango.




EXPERIMENTAL 2: Comparar los datos obtenidos experimentalmente con las

correlaciones aceptadas suministradas por la bibliografía (Churchill y Bernstein,

Hilper, Zhukauskas, etc.) y hacer gráficas en las que se compare los valores

experimentales con los resultados de las correlaciones a las condiciones estudiadas

(diferentes temperaturas).

Ejemplo:

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS


¿DE DÓNDE ESTUDIAR?

Principal

Cengel, Y. y Grhajar, J. (2004). Transferencia de calor (4ª ed.). España: McGraw-

Hill.

Incropera, F. y DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor (4ª ed.).

España: Prentice-Hall.

Edibon. (1997). Manual experimental de operación y mantenimiento. España.

Complementaria

Bird, R.B. (2006). Fenómenos de transporte (2ª ed.). México: Limusa.

Perry, R.H. (2007). Manual del Ingeniero Químico (6ª ed.). México: Mac-Graw-

Hill/Interamericana.

Kreith, F. (2012). Principios de transferencia de calor (4ª ed.). España: Cengage

Learning.

Geancoplis, C. (1998). Procesos de transporte y principios de procesos de

separación (3ª ed.). México: Compañía Editorial Continental.

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