Universidad Industrial de Santan-derFacultad de Ingenierías Fisicoquí-micasEscuela de Ingeniería Química27542 Laboratorio de Procesos I

INFORME

Batería de calentamientoEdward Amaguaña Vega1, Derly Delgado2, Luzyane Jaimes3, Martín Ochoa4, Sergio Rincón5, Keyla

Solana6, María del Pilar Torres7

1COD. 21033312COD. 2093603 3COD. 20940414COD. 20837805COD. 20831276COD. 20834157COD. 2073312

Abstract

In this report, the practice of heating coil in order to meet the phenomenon of heat transfer and assembly in which the most influential variables of the operation will be analyzed, which will allow to calculate the most important parameters for this phenomenon development. The principles of heat transfer are highly applicable to any thermal system allowing us to quantify the actual requirements and efficiency in any industry.

Keywords: Phenomenon, transfer, hot, parameters, operation, exchanger, temperatura, battery.

Resumen

En el presente informe, se desarrollo la práctica de Batería de calentamiento con el fin de conocer el fenómeno de transferencia de calor y en cuyo montaje se analizarán las variables más influyentes de la operación, las cuales permitirán calcular los parámetros más relevantes para este fenómeno. Los principios de transferencia de calor son de gran aplicabilidad para cualquier sistema térmico ya que nos permite cuantificar los requerimientos reales como la eficiencia en cualquier industria.

Palabras Claves: Fenómeno, transferencia, calor, parámetros, operación, intercambiador, temperatura, batería.

1. Introducción

La transferencia de calor entre dos o más corrientes corresponde al intercambio de energía que ocurre gracias a los fenómenos de conducción, convección

(natural o forzada) y radiación generados en el siste-ma.

Los equipos más utilizados para realizar dicho proce-so son los intercambiadores de calor ya que son fabri-

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cados con materiales de alta conductividad para ge-nerar una alta eficiencia de intercambio térmico, estos son diseñados dependiendo de las condiciones del sistema y su finalidad, por lo tanto existen diversos tipos de intercambiadores.

2. Objetivos

Objetivo general Comprender el mecanismo y funcionamiento de la

batería de calentamiento.

Objetivos específicos Obtener datos de temperatura y tiempo para po-

der calcular el coeficiente de transferencia de calor.

Hallar la eficiencia por medio del cálculo del calor aprovechado y suministrado

Identificar los procesos físicos que se dan en el funcionamiento de la batería de calentamiento.

3. Procedimiento

Para llevar a cabo la parte experimental se llenó el tanque de almacenamiento con 48 litros de agua, se encendió el agitador mecánico a una velocidad de rotación determinada, así como también se colocó en funcionamiento la bomba para permitir el inicio del reflujo; se abrió completamente la válvula que permite el paso del vapor (proveniente de la caldera), el cual llega a una presión determinada. Se registró en una tabla de datos temperatura de entrada y salida del vapor del serpentín, tiempo transcurrido y volumen condensado proveniente de la caldera; estos valores son medidos durante un proceso de calentamiento desde 30° C hasta 80° C, cuando ocurre un aumento de 5° C.

Se estabilizo el sistema a una temperatura de 80° C durante 40 minutos, esto se consiguió manipulando el paso de vapor que entra al serpentín. Se detuvo el flujo de vapor permitiendo el enfriamiento del fluido de trabajo hasta 60°C; se midió el tiempo de enfriamiento cada 5°C. Se cuantificó el volumen evaporado duran-te el tiempo de estabilización a 80°C, esto se consi-guió adicionando (con la ayuda de la probeta) un volu-

men conocido de agua al tanque de almacenamiento hasta conseguir nuevamente los 48 litros iniciales.

4. Análisis de resultados

Etapa de calentamientoTemp. tanque

[°C]Tiempo

[s]Vol. Condensado

[ml]30 - -35 0,211 66040 0,304 32045 0,427 60050 0,543 39055 0,700 40060 0,819 53065 0,926 35070 10,260 37075 11,550 54080 12,49 320

Tabla 1. Datos tomados en la etapa de calentamiento.

Temp. entrada vapor [°C]

Temp. salida vapor [°C]

Temp. Con-densado [°C]

120 41 -120 46 -120 50 -120 54 -120 57 -120 63 -120 68 -120 71 -120 75 -120 80 -120 81 -

Tabla 1. Continuación.La transferencia de calor en el sistema está asociada con el aumento de la temperatura del agua, y se re-presentara mediante el cálculo del calor aprovechado. La variable paramétrica es la temperatura de entrada del vapor y está es Te= 120°C y Ts=78°C. El sistema también se mantiene en una presión constante de 20 Psi y el tiempo de calentamiento de 30°C a 80°C fue de 13,26 min. El tiempo en temperatura estable a 80°C 52 min.

Etapa de enfriamientoTemp. tanque [°C] Tiempo [min]

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80 -75 14,4270 15,0765 23,44

Tabla 2. Datos tomados en la etapa de enfriamiento.

Volumen de condensado en la etapa de calenta-miento es 4480 ml.

Volumen de condensado en temperatura estable: 2160 ml.

Volumen evaporado: 1100 ml.

Cálculos

Calor suministrado

Qsuministrado=Qlatente

Qlatente=m(hg−h f )

hg−h f=hfg=2243,7kJkg

=λvap

m=ρH 2O∗v

ρH 2O=1 kg

L

m=1 kgL

∗4,480 L

m=4,480kg

Qlatente=4,480kg∗2243,7kJkg

Qlatente=¿10051,776 kJ

Calor aprovechado

Qaprovechado=mcalentamiento∗CpH 20∗∆T

Qaprovechado=48Kg∗4,182KJ

Kg∗° C∗(80−30 )° C

Qaprovechado=10036,600KJ

Eficiencia

η=QaprovechadoQsuministrado

∗100=100%

Pérdida de calor

Qperdido=10051,776 kJ−10036,600kJ

Qperdido=15,176 kJ

Coeficiente de transferencia de calor U

Largo serpentín: 15,44 m Diámetro serpentín: 0,0079 mRadio serpentín: 0,00395 m

Qaprovechado=U∗A∗ΔT

A=2∗π∗0,00395m∗15,44m=0,383m2

U=QaprovechadoA∗ΔT

U= 10036.600kJ

0,383m2∗(353,15K−303,15K )

U=524,104 KJ

m2∗K

El valor de la eficiencia es necesario prestarle aten-ción debido a que se presentó una idealidad, esto se debe a que las condiciones de operación a las que se trabajaron fueron fueron muy óptimas y a que el mon-taje se encuentra en un lugar cerrado donde las pérdi-das con el ambiente son mínimas y el proceso de dio de manera lenta donde las propiedades se mantienen casi constantes.

Para mantener la temperatura del tanque estable du-rante el proceso, como el proceso fue lento no hubo grandes variacaciones en los gradientes de tempera-tura lo que explica la poca cantidad de vapor que se aportó al proceso.

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5. Conclusiones Se producen pérdidas de calor sensible y latente,

ya que hay variaciones en la masa que se en-cuentra dentro del tanque (agua a calentar) debi-do a los cambios de temperarura del vapor y los cambios de fase que se producen en este proce-so.

Se obtuvo una eficiencia del proceso de aproxi-madamente 100% teniendo en cuenta la relación entre el calor aprovechado y suministrado de la batería de calentamiento.

Al realizar la práctica se entendió el funcionamien-to de cada una de las partes por las cuales está compuesta la batería de calentamiento, así como su funcionamiento para realizar correctamente el análisis de los resultados.

Con el análisis de los datos obtenidos en la prácti-ca se puede observar que la temperatura del va-por de agua aumenta a medida del paso del tiem-po y esto ocurre debido al intercambio energético que se presenta en el sistema.

El parámetro UA es fundamental para el diseño de intercambiadores de calor de tubo y carcaza y

su valor fue de 200,732 KJK

.

El calor que suministra el vapor de la caldera es latente ya que hay cambio de fase debido a que ingresa como vapor saturado y en el proceso se condensa a líquido saturado. El calor aprovecha-do por la masa de agua es latente debido a que no hay cambio de fase, solo variación de tempera-tura.

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