articulo evaporador condensador

ANLISIS DE LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL EQUIPO EVAPORADOR-CONDENSADOR

Ligia Izaguirre, Anglica Ruz, Sinai Sindar.Profesor: Enderson Bottaro Preparador: Miguel Granados Laboratorio de Ingeniera Qumica I, Laboratorio de Ingeniera QumicaFacultad de Ingeniera, Universidad de CaraboboEmail: [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMENEl objetivo principal de la investigacin fue conocer el intercambio trmico presente en el equipo evaporador-condensador trabajando con vapor, y con vapor y agua para dos presiones de operacin. Para esto, se tomaron las temperaturas en el fondo, medio y tope del evaporador trabajando solo con vapor, as como en las aletas presentes en dicho equipo, y se tomo el tiempo de llenado del beaker y su masa. Trabajando con agua y vapor se tomaron las temperaturas en el fondo, medio y tope del evaporador, as como en las aletas presentes en dicho equipo y las temperaturas de salida y entrada de los fluidos en el condensador y evaporador, adems se tomo el tiempo de llenado de dos beakers con los condensados provenientes de las corrientes de salida del evaporador y del condensador y se pesaron para obtener sus masas. Con esto se pudo conocer a travs de balances de energa y mecanismos de transferencia de calor, el porcentaje de masa perdido por vaporizacin sbita, la eficiencia y efectividad tanto del evaporador como en el condensador y su influencia en la transferencia de calor.Palabras claves: calor, eficiencia, efectividad, evaporador, vaporizacin

IQ7Q09 S65 P2 EC G3 30-01-2015

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INTRODUCCINEn este artculo se estudia la transferencia de calor en el sistema evaporador condensador vertical, esta transferencia de calor no es ms que la energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas, esta energa se traslada de un punto ms energtico a uno menos energtico, en nuestro sistema los equipos estudiados existen puntos para poder tomar estas temperaturas puntuales, lo que nos indica que existir transferencia si hay un gradiente de temperatura en ese punto. Este tipo de transferencia de calor se denomina transferencia de calor por conveccin y ocurre entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estn a diferentes temperaturas. Los evaporadores se utilizan para concentrar una solucin consistente de un soluto no voltil y un solvente voltil. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones especficas se pueden encontrar en calefaccin de locales y acondicionamientos qumicos adems se estudia cmo influye las variables de presin, nivel de agua en los tubos y caudal de entrada en los tubos a la hora de recoger condesando a la salida del evaporador y condensador ya que esto nos dar una idea de cmo varia esta transferencia de calor descrita anteriormente. Para estimar la masa del condensado recolectado se tomaron 3 veces para cada combinacin para poder tomar un promedio. Estas condiciones son las siguientes: presiones de (10 0,5) psig (presin mnima) y (15 0,5) psig (presin mxima), alturas de (25,00 0,05)cm (altura mnima) y (72,50 0,05)cm (altura mxima) y caudal de (10,0 0,5)gpm (caudal mnimo) y de (25,0 0,5)gpm (caudal mximo), adems se estudia el fenmeno de sobrecalentamiento y subenfriamiento a la salidas de los equipos estudiados y dicha temperatura se compara con la temperatura de saturacin del agua.

METODOLOGASe verific primero que todas las vlvulas del sistema se encontraran cerradas completamente, se pesaron dos beakers en la balanza analtica, se descargo el sifn. Se realiz el drenado del evaporador abriendo la vlvula que se encuentra abajo del evaporador hasta que no quedara resto de condensado en el equipo y cerraron estas vlvulas tanto la del sifn como la de descarga del evaporador.Se abri las vlvulas de salida del evaporador y la vlvula de diafragma para llevar la presin de operacin a la presin mnima ya mencionada anteriormente, se esper la estabilizacin del sistema tomando las temperaturas en las paredes del evaporador y con un termmetro de bulbo con una apreciacin de (T 0,1) C en la salida del condesando del evaporador. Cuando estas temperaturas se estabilizaron se coloc un beaker a la salida del evaporador y se encendi un cronmetro con apreciacin de (t 0,1)s, al llegar a la altura calculada en el objetivo 1 se retir el beaker y se pes en la balanza analtica, tambin se tom la temperatura a la salida del evaporador con el termmetro de bulbo adems se tom las temperaturas de la pared del evaporador; as tambin las temperaturas de las aletas, y en la superficie de la trampa de vapor, y en otros puntos del evaporador. Este procedimiento se realiz 3 veces. Luego se trabaja con agua y vapor en el sistema, para esto se abri la vlvulas que van del equipo de evaporador condensador vertical a la torre de enfriamiento, se verific que la torre de enfriamiento, su tanque estuviese lleno de agua y se procedi al cebado de la bomba centrfuga. Se abri las vlvulas de suministro de agua de hidrocentro y la que viene del sistema evaporador condensador vertical, se encendi la bomba en el panel de control apretando los dos botones de encendido a la vez y se regul el caudal hasta el caudal mximo, al tener este caudal se llev a caudal mnimo se colocaron las referencias de alturas en el nivel de los tubos y se llev a la altura mnima.Se abri la vlvula que est cerca del rotmetro, se esper que el sistema se estabilizara de nuevo y se colocaron dos beakers uno en la salida del evaporador y el otro en la salida del condensador, se volvi a esperar a que se llenaran los beakers a las alturas calculadas y se pesaron en la balanza analtica y se tomaron las medidas de temperaturas en los puntos de entrada y salida del evaporador y entrada y salida en el condensador con termopar, este procedimiento se realiz 3 veces, as como tambin en la trampa de vapor, aletas anulares y de soporte entre otros puntos del sistema de estudio. Luego se vari el nivel de agua en los tubos y se tom de nuevo las temperaturas descritas anteriormente y pesando el condesando recolectado, luego se vari el caudal mximo y se realiz el mismo procedimiento anteriormente descrito y con este caudal mximo se vari la altura a la altura mnima, todas estas variaciones se llev medir 3 veces las temperaturas descritas, pesado de los condensado recolectado y esperar a se estabilice el sistema en cada cambio de variable. A final, se cerr la vlvula de diafragma, se esper que el condensado alcanzara una temperatura de 40C, para poder drenar el vapor remanente tanto en el evaporador como en el condensador. Se procedi a apagar la bomba y luego a cerrar todas las vlvulas del equipo usadas durante la operacin.

DISCUSIONES DE RESULTADOSEn la experiencia prctica se trabaj con un equipo de evaporador- condensador vertical. El evaporador consiste en un intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la coraza y agua en el interior de los tubos. As mismo, cuenta con un condensador vertical por donde circula agua por la coraza y vapor por los tubos [1]. En el caso del condensador, a pesar de que el agua en estado lquido en ms corrosiva y ensuciadora que la misma vaporizada, el fluido ms corrosivo, agua lquida, fluye a travs de la coraza con el objetivo de aprovechar completamente el calor que transporta el vapor de agua proveniente del evaporador. Es decir, si el vapor de agua fluyera a travs de la coraza, parte de su calor sera transferido al ambiente, desaprovechndose esa cantidad de energa que puede ser utilizada eficazmente por el agua lquida.Para efectos de la prctica, se trabaj con dos modos de operacin: En primer lugar slo con vapor en el evaporador, y en segundo lugar, con vapor y agua en el sistema completo.Para la determinacin del porcentaje perdido por vaporizacin sbita; se hace un balance en la trampa de vapor, la misma se aproxim a 3 cilindros verticales, y el calor que transfirieron los mismos al ambiente, fueron calculados a partir del mecanismo de conveccin externa. Para este caso, se trabaj con conveccin externa natural monofsica, donde el fluido externo era el aire. Trabajando con una presin de operacin de 10 psi se obtiene mayor flujo msico de vaporizacin, que operando con 15 psi, aunque por muy poca diferencia lo que nos refleja unos resultados no esperados, ya que al trabajar con una presin de operacin mayor, el fenmeno de la vaporizacin sbita se ve ms afectado, debido a que el cambio brusco de presin es mayor lo que se ve reflejado en un mayor flujo msico y a su vez en mayores prdidas por vaporizacin sbita [3]. Obteniendo a 10 psi unas prdidas de vaporizacin de 2,13 % y un calor disipado en la trampa de 32,23 W; mientras que a 15 psi las prdidas de calor al ambiente obtenidas son de 1,72 % y el calor perdido en la trampa es de 35,23 W. El calor que se libera en la trampa, al trabajar con una presin de operacin mayor, nos dio como resultado un mayor calor disipado, lo que nos refleja resultados esperados.Es importante destacar, que los valores obtenidos a travs de los modelos matemticos fueron calculados a partir de ciertas suposiciones, como efectos radiantes despreciables, lo que origina que exista una pequea desviacin de los resultados con la realidad.Al determinar las prdidas de calor al ambiente cuando el sistema opera slo con vapor,tanto por mecanismos de transferencia de calor, como por balance de energa se observan grandes discrepancias. Por una parte la magnitud, el calor prdido al ambiente por conveccin para una presin de operacin de 10 psi es de 79,6 W; mientras que por balance de energa se obtuvo un valor de 1325,5 W. La gran diferencia entre los mismos puede deberse a las consideraciones que se toman en cuenta a la hora del clculo. Por mecanismos se utiliz la conveccin natural entre la pared del evaporador y el aire alrededor del equipo, aproximando la geometra del mismo a cilindros de diferentes dimetros y longitudes. Por facilidad de clculo, se tom una temperatura de pared externa constante, esto afecta las propiedades del fluido y por ende el coeficiente convectivo del mismo y, finalmente la transferencia de calor. En cambio por medio de un balance de energa se hace los clculos respecto al fluido interno, es decir el vapor que condensa por estar en contacto con una superficie a menor temperatura que l mismo [2]. Para este clculo no importa la geometra ni el recorrido que hace el fluido, slo importa la variacin de la energa entre la entrada y la salida del sistema. Otra particularidad notada entre los valores obtenidos, es el hecho de que la transferencia de calor hacia el ambiente es menor cuando la presin de operacin es mayor, las prdidas de calor al ambiente por conveccin a la presin de operacin de 10 psig son 79,6 W, minetras que para una presin de 15 psig son de 64,5 W; El mismo comportamiento se observa para las prdidas calculadas por balance de energa en cuyo caso son de 1325,5 W y 1243,0 W para la menor y mayor presin de operacin respectivamente. Se sabe que a mayor presin de operacin, mayor ser la presin de saturacin del vapor y por ende, la temperatura de saturacin del mismo debe ser mayor. Es decir, que se esperara que la temperatura de la pared externa del evaporador fuese siempre mayor para la presin de operacin mayor y por ende la rapidez de transferencia de calor al ambiente sea mayor, pero no es as. La posible razn de este hecho es que primero se tena el equipo fro, sin paso de vapor, luego al trabajar con la primera presin de operacin, el equipo se calent y como el gradiente de temperatura entre la pared y el aire de los alrededores era mayor, la transferencia fue alta. Para cuando se trabajo con la segunda presin de operacin es muy posible que una pelcula del vapor que ha condensado, este acumulada en las parte interna del evaporador y que sta genere un impedimento mayor para la transferencia de calor. Es por esto que la temperatura de la pared externa disminuye an cuando la temperatura de saturacin del vapor aumento ypor consecuencia, las prdidas de calor al ambiente, son menores.

Seguidamente, el proceso oper con vapor y agua a dos presiones de operacin. En el objetivo 4, se verific si existan condiciones de sobrecalentamiento a la salida del evaporador y su influencia en la transferencia de calor. Resultando esta posibilidad negativa para la presin de operacin. El vapor que egresa del evaporador se encontraba en condicin de saturacin. Esta situacin, refleja que el evaporador es eficiente, debido a que el agua que ingres por los tubos al evaporador experiment un calor que permiti su vaporizacin. Por su parte, en el objetivo 5 se verific si existan condiciones de subenfriamiento a la salida del condensador y su influencia en el proceso de transferencia de calor. Para esto se calcul la temperatura de saturacin del agua a presin ambiente, resultando esta igual a 387,15K. Para que exista una condicin de subenfriamiento, la temperatura del lquido debe ser menor a la temperatura de saturacin a la presin de trabajo [2]. En este caso, para todas las corridas, presiones de operacin, nivel de lquido en los tubos del evaporador y caudales trabajados durante la prctica, la condicin del condensado que egresaba del condensador fue de subenfriamiento, ya que todas las temperaturas obtenidas experimentalmente resultaron ser menores a 387,15K. El condensado en cuestin es el resultado de la transferencia de calor que existe entre el agua de enfriamiento que ingresa por la coraza al condensador, y el vapor que proviene del evaporador. La transferencia de calor se lleva a cabo desde el vapor al agua lquida, por lo que el vapor condensa debido a esa prdida de energa. Esto quiere decir, que el vapor experiment una prdida de calor latente aunada a un calor sensible. Por lo tanto, mientras ms subenfriado se encuentre el vapor condensado, mayor habr sido la transferencia de calor con el agua de enfriamiento, y por ende, mayor eficiencia y efectividad en el condensador [1].Se calcularon las prdidas de calor al ambiente mediante balances de energa y mecanismos de transferencia de calor, para la operacin del equipo con vapor y agua, este procedimiento se efectu a dos alturas de agua en los tubos del evaporador, a dos presiones de operacin, 10 y 15 psig, y para dos caudales. En primer lugar, se obtuvo que los valores de calores obtenidos mediante balance de energa fueron mayores a los obtenidos por mecanismos de transferencia de calor, esto debido a, como se expuso anteriormente, las mltiples aproximaciones que se realizan para el clculo del calor por conveccin. As mismo se observa que a mayor caudal, menor es el calor transferido al ambiente. Esto concuerda con lo esperado, ya que si se tiene un menor caudal de agua de enfriamiento, y en su defecto, mayor flujo msico de la misma, existir mayor cantidad de energa absorbida por el agua, lo que disminuye el calor que se transfiere al ambiente [4]. Al circular agua por los tubos del evaporador es necesario tomar en cuenta la cantidad de energa que es absorbida por el agua, partiendo de la primera ley de la termodinmica se obtiene la siguiente ecuacin para determinar ese calor absorbido:

(1)Donde:: flujo de calor absorbido por el agua de enfriamiento (W): flujo msico del condensado promedio en el condensador (kg/s):capacidad calorfica del liquido (kJ/kmol)Tsat: temperatura de saturacin del fluido (C)Te: temperatura de entrada del fluido (C): capacidad calorfica del vapor (kJ/kmol): temperatura de salida del fluido (C)hfg: entalpa de vaporizacin (J/kg): peso molecular del agua, (kg/kmol)

Seguidamente el calor absorbido por el ambiente se determina mediante la diferencia entre el calor que cede el vapor que va por la coraza y el calor absorbido por el agua que va por los tubos.La eficiencia del evaporador y el condensador se define como la relacin entre el calor que fue recibido por el fluido fro, entre el calor total aportado al sistema [2]:

Dnde:n: eficiencia: calor absorbido por el agua de enfiramiento (W): calor cedido por el vapor (W)En este caso es el vapor quin cede la energa que debera recibir en su totalidad el agua de enfriamiento. El equipo es 100% eficiente cuando todo el calor que aport el vapor es absorbido por el agua de enfriamiento, pero esto no ocurre ya que parte del calor es liberado al ambiente y a las tuberas internas del equipo ya que el vapor y agua no se encuentran en contacto directo.Los resultados experimentales indican que el evaporador tiene una eficiencia mayor al 90% para todas las condiciones de operacin indicando que el equipo es muy eficiente, es decir que est cumpliendo su funcin de evaporar el agua que ingresa por los tubos. A excepcin de cuando se oper con el mayor nivel de agua en los tubos, el menor caudal y la menor presin que se obtuvo una eficiencia de 87,2% puede deberse a que la cantidad de lquido en los tubos era mayor y el menor caudal y presin de operacin no permiti la transferencia adecuada de calor al gran cuerpo de lquido. Mientras que el condensador no parece muy eficiente. La mayor eficiencia obtenida experimentalmente es de 62,8 % y la menor es de 16,1 % que se obtuvo cuando se oper con la mayor presin, caudal y nivel mnimo. Resulta obvio ya que el evaporador se encuentra operando en condiciones muy favorables por lo que mandara mucho ms vapor a condensar.La efectividad es la relacin entre el calor que realmente absorbe el agua de enfriamiento y el mximo calor que idealmente podra ceder el vapor [2]:

: eficiencia: calor absorbido por el agua de enfiramiento real (W): calormximo ideal cedido por el vapor (W)El comportamiento de la efectividad para ambos equipos es anlogo al de la eficiencia, pero no son interpretados de la misma forma. Al comparar los valores reportados en las tablas XIV y XV se puede concluir que el evaporador puede llevar a cabo su objetivo que es evaporar el agua de enfriamiento, y adems, lo hace de una formaptimaya que se aprovecha una buena parte de la energa que puede ceder el vapor.En el caso del condensador, lleva a cabo su objetivo de manera regular en ciertas condiciones de operacin y en este caso, el agua de enfriamiento no absorbe la cantidad de energa que es capaz de almacenar.

CONCLUSIONES:

-La vaporizacin sbita es un fenmeno apreciable a la salida de la trampa de vapor-El condensado que egresa del condensador se encuentra en estado de subenfriamiento.-Las prdidas de calor al ambiente operando slo con vapor a la presin de operacin mayor son menores que las prdidas de calor al ambiente operando slo con vapor a la menor presin de operacin.-Si se aumenta el nivel de agua en los tubos aumenta la transferencia de calor del vapor-Si se aumenta el caudal del sistema, la transferencia de calor del vapor aumenta.-Si se aumenta la presin del sistema, la transferencia de calor aumenta-El evaporador es eficiente y efectivo trmicamente.-El condensador no es muy eficiente ni efectivo trmicamente.-La condicin de salida del vapor en el condensador vertical a la presin de 10 y 15 psi present condicin de sub-enfriamiento para todas las corridas.

REFERENCIAS[1] Incropera F. y DeWitt D. (1999) Fundamentos de transferencia de calor. Cuarta Edicin. Editorial Pearson, Prentice Hall. Mxico, pgs.:347-377[2] Van Wylen G.J, Sonntag R.E y Borgnakke C. (1997) Fundamentos de termodinmica. Segunda Edicin. Editorial Limusa-Wiley. Mxico. Pgs.:54-81 [3] Armstrong (1999) Gua para la conservacin de Vapor en el Drenado de Condensados. Michigan, USA. Pgs.: 10-12[4] McCabe W., Smith J. y Harriott P. (2007): Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica. Sptima Edicin. Editorial Mc Graw Hill. Mxico, pgs.: 514 y 515.

APENDICE ATABLAS DE DATOSTABLA IVALORES EXPERIMENTALES NECESARIOS PARA LA DETERMINACIN DEL FLUJO DE VAPOR Y EL PORCENTAJE PRDIDO DEBIDO A LA VAPORIZACIN SBITA EN EL EVAPORADOR,OPERANDO SLO CON VAPOR POR LA CORAZAPresin de operacin(Pop 0,5) psigTemperatura del condensado(Tcond0,5 ) CMasa del beaker lleno(mll 1) gTiempo de llenado del beaker(t 0,01) sTemperatura alrededor de la trampa de vapor

Tapa superior(Ta 0,1 ) CSeccin media(Tb 0,1 ) CTapa inferior(Tc 0,1 ) C

1070307187,85103,5105,576,0

69282188,00106,5105,567,5

72270187,34107,5106,072,5

1575303188,55110,0109,592,0

73272187,52108,5109,5102,5

74265192,09108,5110104,5

Presin ambiente: ( 708,36 0,05) mmHgTemperatura ambiente: (33,5 0,5) CLongitud de la tapa superior de la trampa de vapor:( 2 0,05) cmLongitud de la seccin media de la trampa de vapor:( 10,5 0,05) cmLongitud de la tapa inferior de la trampa de vapor:( 2,8 0,05) cmMasa del beaker 1 vaco: ( 175 1) gMasa del beaker 2 vaco: ( 178 1) g

TABLA IITEMPERATURAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR OPERANDO SLO CON VAPOR POR LA CORAZAPresin de operacin(Pop 0,5) psigTemperatura de pared del evaporador(Tw 0,1 ) CTemperaturas del nulo superior(T1 0,1 ) CTemperaturas del nulo inferior(T2 0,1 ) C

PosicinsuperiorPosicinintermediaPosicininferiorCarasuperiorCarafrontalCarainferiorCarasuperiorCarafrontalCarainferior

1045,238,137,739,847,349,835,63434,2

40,540,039,536,03637,538,536,537,0

40,540,039,538,036,538,037,536,036,0

1538,538,538,537,53535,535,535,535,5

38,538,538,537,036,035,036,536,036,0

39,539,539,538,536,536,037,036,036,5

Presin ambiente: ( 708,36 0,05) mmHgTemperatura ambiente: ( 33,5 0,5) CLongitud del evaporador:( 127 0,05) cmPermetro del evaporador: ( 152,4 0,05) cm

Longitud del nulo superior: ( 169 0,05) cmPermetro del nulo superior:( 152,4 0,05) cmLongitud del nulo inferior: ( 11,5 0,05) cmPermetro del nulo inferior: ( 152,4 0,05) cm

TABLA IIITEMPERATURAS EN LAS ALETAS UBICADAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR, OPERANDO SLO CON VAPOR POR LA CORAZAPresin de operacin(Pop 0,5) psigTemperaturas en las aletas rectas con transferencia en la puntaTemperaturas en las aletas rectas sin transferencia en la punta

Base(TB 0,5 ) CPunta Izquierda(TP 0,1) CPuntaIntermedia(TP 0,1 ) CPunta Derecha(TP 0,1 ) CBase(TB 0,1 ) CPunta(T 0,1 ) CLongitud(L 0,05 ) cm

1083,583,577,082,560,533,069,0

82,073,587,085,062,533,562,0

83,085,083,586,563,033,563,0

1585,088,581,586,065,033,546,0

85,589,085,593,567,033,550,0

85,077,590,565,533,548,5

Presin atmosfrica: ( 708,3 0,05) mmHgTemperatura ambiente: ( 33,5 0,5) CLongitud de la aleta recta vertical:( 6,50 0,05) cmEspesor de la aleta recta vertical: ( 0,57 0,05) cmLongitud de la aleta recta horizontal:( 10,20 0,05) cm

Espesor de la aleta recta horizontal: ( 0,57 0,05) cmAncho de la aletra recta horizontal: ( 4,30 0,05) cmAncho de la base del soporte: ( 17,00 0,05) cmEspesor del soporte: ( 0,74 0,05) cm

TABLA IVVALORES EXPERIMENTALES NECESARIOS PARA EL CLCULO DEL FLUJO MSICO DEL CONDENSADO EN EL EVAPORADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA PORLOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACINNivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmMasa del beaker lleno de condensado(mll 1) gTiempo de llenado del beaker(t 0,01) sTemperatura del condensado(Tcond0,5 ) C

Proveniente del evaporadorProveniente del condensador

Del evapo-radorDel conden-sador

25

1010146513653188782,030,0

146413503187582,029,0

144013053167984,029,0

2510779752199982,029,0

10899782208681,029,0

10679582195282,028,0

1525153713812114586,029,0

121811061403284,029,0

118910721401286,029,0

10122911081444984,029,0

128111491493186,029,0

125611351481087,029,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 33,5 0,5) CTABLA IVVALORES EXPERIMENTALES NECESARIOS PARA EL CLCULO DEL FLUJO MSICO DEL CONDENSADO EN EL EVAPORADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA PORLOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmMasa del beaker lleno de condensado(mll 1) gTiempo de llenado del beaker(t 0,01) sTemperatura del condensado(Tcond0,5 ) C

Proveniente del evaporadorProveniente del condensador

Del evapo-radorDel conden-sador

72,5

1010141011051457387,029,0

131010641366087,029,0

126110431349886,029,0

25129111021363785,029,0

136010901346386,029,0

124910861339686,029,5

15

25146611941418187,039,0

11149110515987,042,0

11429720554787,042,0

1011539940565287,043,0

131911301033586,049,0

10869600540689,049,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 30,5 0,5) CTABLA VTEMPERATURAS A LO LARGO DE LA TRAMPA DE VAPOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACINNivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperatura de pared


25

10

10100,5100,598,0

101,5101,093,0

100,0100,590,0

25101,0100,098,0

101,5100,095,5

97,099,586,0

15

25105,5105,098,0

105,0104,097,0

105,5104,5100,0

10105,0104,0100,0

105,0102,5101,0

104,0102,595,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 30,5 0,5) C

TABLA VTEMPERATURAS A LO LARGO DE LA TRAMPA DE VAPOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperatura de pared


72,7

10

1097,598,089,5

100,0100,094,0

100,099,093,0

2596,0101,093,0

96,0101,095,5

100,0100,597,5

15

25104,0105,0100,5

101,5106,597,0

101,5103,0101,0

10103,5105,595,5

105,5107,597,0

104,5100,098,5


TABLA VITEMPERATURAS A LO LARGO DEL EVAPORADOROPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACINNivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperatura de pared del evaporador(Tw 0,1 ) C

PosicinsuperiorPosicinintermediaPosicininferior

72,5

101035,535,535,0

34,535,535,5

34,535,034,5

2534,534,534,5

34,534,535,0

34,534,535,0

15

2533,535,035,0

33,534,034,0

34,034,035,0

1034,034,034,5

34,034,034,5

33,534,034,5


TABLA VITEMPERATURAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperatura de pared del evaporador(Tw 0,1 ) C

PosicinsuperiorPosicinintermediaPosicininferior

25

101037,037,538,0

36,036,536,0

35,536,536,5

2535,536,036,5

35,536,035,5

34,035,535,5

152534,534,534,0

35,034,534,5

35,535,535,5

1035,034,534,5

34,535,535,0

35,035,535,0

Presin atmosfrica e: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 33,5 0,5) C

TABLA VITEMPERATURAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperaturas del nulo superior(T1 0,1 ) CTemperaturas del nulo inferior(T2 0,1 ) C

CarasuperiorCaraFrontalCarasuperiorCarafrontalCarasuperiorCaraFrontal

72,5

101034,531,533,033,534,030,0

34,032,033,033,532,030,5

34,033,032,531,532,532,5

2532,531,533,031,531,031,5

31,531,032,533,031,031,0

31,531,031,530,033,530,0

15

2535,031,031,531,532,530,0

33,530,531,532,030,530,5

32,530,532,033,031,530,0

1033,530,532,032,031,030,5

33,530,532,031,531,030,0

33,530,532,532,531,030,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 30,5 0,5) CTABLA VITEMPERATURAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento (Qop0,5) gpmTemperaturas del nulo superior(T10,1 ) CTemperaturas del nulo inferior(T2 0,1 ) C

CarasuperiorCarafrontalCarasuperiorCarafrontalCarasuperiorCarafrontal

25

101037,033,535,034,037,532,5

36,032,536,031,534,034,5

35,532,535,531,533,033,0

1535,532,533,533,533,031,0

34,032,032,532,533,032,0

34,532,035,531,531,033,5

152535,533,031,532,533,030,5

32,035,533,030,533,030,5

35,532,534,032,032,530,5

1035,031,533,030,032,530,0

35,032,035,031,532,032,0

35,031,535,531,033,530,0


TABLA VIITEMPERATURAS EN LAS ALETAS UBICADAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR, OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACINNivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfria-miento (Qop0,5) gpmTemperaturas en las aletas rectas con transferencia en la puntaTemperaturas en las aletas rectas sin transferencia en la punta

Base(TB0,1 )CPunta Izquierda (TP0,1 )CPuntaIntermedia(TP0,1 )CPunta Derecha(TP0,1 ) CBase(TB0,1 ) CPunta(T 0,1 )CLongitud(L 0,05 ) cm

72,5

10 1071,575,043,081,061,530,545,0

70,572,541,580,058,530,547,0

70,076,042,581,058,030,548,0

2570,574,034,581,058,530,548,0

71,577,541,082,059,030,546,0

71,578,042,581,559,030,542,0

15 2572,078,541,583,559,030,542,0

71,577,044,083,059,530,540,0

71,076,544,083,558,530,537,0

1073,577,042,585,060,530,536,0

73,573,54083,060,530,538,0

72,577,543,585,559,030,538,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 30,5 0,5) CTABLA VIITEMPERATURAS EN LAS ALETAS UBICADAS A LO LARGO DEL EVAPORADOR, OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfria-miento (Qop0,5) gpmTemperaturas en las aletas rectas con transferencia en la puntaTemperaturas en las aletas rectas sin transferencia en la punta

Base(TB0,1 )CPunta Izquierda(TP0,1 )CPuntaIntermedia(TP0,1 )CPunta Derecha(TP0,1)CBase(TB0,1) CPunta(T0,1 )CLongitud(L 0,05 ) cm

25

1010

74,073,081,581,061,533,539,0

72,079,048,081,561,033,535,0

77,072,046,582,561,033,533,0

2573,080,043,580,060,033,533,0

70,561,041,078,559,533,531,0

72,578,044,581,561,033,531,0

15

2574,579,041,084,061,533,528,0

75,578,042,086,061,033,529,0

75,079,542,084,561,033,529,5

1075,074,045,582,562,030,046,0

74,075,546,582,062,030,048,0

74,076,541,584,561,530,053,0

Presin atmosfrica: ( 708,36 0,05) mmHg Temperatura ambiente: ( 33,5 0,5) CTABLA VIIITEMPERATURAS A LA ENTRADA Y SALIDA DEL EVAPORADOR Y CONDENSADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACINNivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfria-miento (Qop0,5) gpmTemperatura del vapor a la salida del evaporador(TV 0,1 )CTemperatura del agua a la salida del evaporador(TS 0,1 )CTemperatura del agua a la entrada del condensador(TE 0,1 )CTemperatura del vapor a la entrada del condensador(TC 0,1 )C

72,5

101099,295,827,096,4

95,595,827,095,6

97,696,827,097,5

2597,897,527,098,1

97,796,828,096,0

95,394,327,095,3

152598,697,828,097,3

96,997,028,097,1

97,795,529,095,2

1096,196,829,095,4

98,095,629,095,1

95,294,629,094,6


TABLA VIIITEMPERATURAS A LA ENTRADA Y SALIDA DEL EVAPORADOR Y CONDENSADOR OPERANDO EL SISTEMA CON VAPOR POR LA CORAZA Y AGUA POR LOS TUBOS A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIN (CONTINUACIN)Nivel de agua en los tubos (Nop0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfria-miento (Qop0,5) gpmTemperatura del vapor a la salida del evaporador(TV0,1 )CTemperatura del agua a la salida del evaporador(TS 0,1 )CTemperatura del agua a la entrada del condensador(TE 0,1 )CTemperatura del vapor a la entrada del condensador(TC 0,1 )C

25

101092,196,726,095,0

95,795,426,094,0

95,593,926,095,5

2591,195,727,098,3

96,096,028,096,7

95,996,127,096,6

15

2597,597,428,099,1

96,997,128,098,0

97,696,628,098,3

1098,096,328,098,4

96,496,228,096,9

96,296,127,096,4


APENDICE BTABLAS Y FIGURAS DE RESULTADOSTABLA IXFLUJOS MSICOS DE VAPOR SUMINISTRADO AL EVAPORADOR VERTICAL Y PERDIDO POR VAPORIZACIN SBITA, PARA LASPRESIONES DE TRABAJO.Presin de operacin (Pop0,5)psigCalor liberado por la trampa de vapor(Qtv 0,05) WFlujo msico del condensado(mcond 0,00001) kg/sFlujo msico de vapor perdido por vaporizacin sbita()Porcentaje de flujo msico de vapor perdido por vaporizacin sbita()%

1032,230,000591,29*10-52,13

1535,220,0005549,75*10-61,73

Presin ambiente: (708,360,05)mmHgTemperatura ambiente: (33,50,5)C

TABLA XPRDIDAS DE CALOR AL AMBIENTE DEL EVAPORADOR VERTICAL OPERANDO SLO CON VAPOR A DOS PRESIONES DE OPERACIN DEL EQUIPO EVAPORADOR-CONDENSADORPresin de operacin(Pop 0,5) psigTipo de clculo

Mecanismos(Qamb 6,1) WBalance de energa(Qamb 12,3) W

10

79,61325,5

15

64,51243,0

Presin atmosfrica: (708,360,05)mmHg Temperatura ambiente: (33,50,5)C

TABLA XIPERDIDAS DE ENERGA AL AMBIENTE EL EVAPORADOR TRABAJANDO CON AGUA Y VAPOR DE AGUA Altura en el LG(h0,05)cmPresinde Operacin(P 1)psigCaudal del lquido(Q0,3)gpm

Prdidas por conveccin(Qambc6)W

Prdidas por balance de energa(Qambb13)W

25,001010,0053224

25,0044198

1510,0041510

25,0076423

72,501010,00673382

25,00622394

1510,00593877

25,00591759

Presin atmosfrica: (708,36 0,05) mmHgTemperatura ambiente: (33,5 0,5) C

TABLA XIIEFICIENCIA Y EFECTIVIDAD TRMICA DEL EVAPORADOR OPERANDO CON AGUA POR LOS TUBOS Y VAPOR POR LA CORAZA PARA DISTINTAS CONDICIONES DE OPERACIN DEL EQUIPO EVAPORADOR-CONDENSADOR

Nivel de agua en los tubos(Nop 0,05) cmPresin de operacin(Pop 0,5) psigCaudal de agua de enfriamiento(Qop 0,5) gpmEficiencia(nevap 0,1) % adim.Efectividad(evap0.08) % adim.

25,0101098,597,62

2598,799,74

152597,897,45

1098,297,39

72,5101087,298,00

2591,197,93

152590,597,45

1095,697,34

Presin atmosfrica: (708,360,05)mmHgTemperatura ambiente: (33,50,5)C

TABLA XIIIEFICIENCIA Y EFECTIVIDAD TRMICA DEL CONDENSADOR OPERANDO CON AGUA POR LOS TUBOS Y VAPOR POR LA CORAZA PARA DISTINTAS CONDICIONES DE OPERACIN DEL EQUIPO EVAPORADOR-CONDENSADOR

Nivel de agua en los tubos(Nop 0,05) cm

Presin de operacin(Pop 0,5) psig

Caudal de agua de enfriamiento(Qop 0,5) gpm

Eficiencia(ncond 0,4)% adim.

Efectividad(cond 0,5) % adim.

25,0101062,865,6

2562,269,2

152530,032,2

1016,117,3

72,5101023,625,6

2551,755,8

152542,338,3

1055,775,6

Presin atmosfrica: (708,360,05)mmHgTemperatura ambiente: (33,50,5)C

APNDICE CCLCULOS TPICOSObjetivo 1. Estimar la masa a recolectar indicando el tiempo de manera que el flujo sea significativo y considerando el perodo de realizacin de la prctica. El resultado debe ser expresado en altura.Primero se supondr que el vapor de agua, suministrado por la caldera, es saturada, con una presin relativa de 10psig y la presin baromtrica del sistema a es 709,8mmHg, debido a que as se obtendra el menor flujo, y a partir de all estimar el mayor tiempo que tomar la prctica.Para presin absoluta del fluido se usar la ecuacin 1:

(Himmenblau, 2002)Donde:P: presin (mmHg).fc1: factor de conversin 1 (51,7148mmHg/psig)Pop: presin de operacin (psig)abs: absoluto.amb: ambiente.Sustituyendo los valores:

Aplicndole a la ecuacin anterior el mtodo de derivadas parciales para estimar el error de la presin absoluta a la cual se encuentra el fluido, resulta: (2)Dnde:: error asociado a la variable en estudio.

Como la presin relativa a la cual se encuentra el fluido sera medida con PI-150; por tanto, el error absoluto de ste es 0,5psig y el de la presin ambiente sera la reportada por el barmetro ubicado en el laboratorio, el cual es 0,05mmHg. Al sustituir estos valores en la expresin anterior, resulta:

Por tanto, el valor de la presin absoluta del fluido sera:

Con la presin absoluta se usarn la tabla VI para determinar la entalpa de vapor y lquido saturado, resultando:

Sustituyendo los valores indicados anteriormente en la ecuacin 3, resulta que la entalpa de vaporizacin es: (3)(Cengel, 2009)Donde:: entalpa de vaporizacin (J/kg).

Empleando la ecuacin 4 que corresponde a la primera ley de la termodinmica, en la coraza del evaporador:

(Van Wylen, 1992)Donde:variacin de energa interna del sistema, (kJ)variacin de energa cintica del sistema, (kJ)variacin de energa potencial del sistema, (kJ)velocidad de transferencia de calor (W).trabajo de eje, (kJ)trabajo generado por cambio de volumen, (kJ): flujo msico (kg/s).: entalpa (J/kg).: energa cintica del alrededor del sistema, (kJ/kg): energa potencial del alrededor del sistema, (kJ/kg): entrada: salidaSe tiene que en ste equipo, por continuidad, la masa de vapor saturado que entra en l, es la misma que sale como lquido saturado. Adicionalmente, el fluido no experimenta un trabajo mecnico en dicho equipo y se supondr que la energa cintica y potencial es insignificante con respecto a la entalpa, por lo que resulta que la ecuacin de la primera ley se simplifica de la siguiente manera, resultando la ecuacin 5:

(5)(Incropera, 1999)

Usando la ecuacin 6, se sustituir en dicha ecuacin la presin de saturacin y las constantes de Antoine, las cuales se ubican en la tabla II, para as obtener la temperatura de saturacin, es decir: (6)(Himmelblau, 2002)

La aproximacin del error de la temperatura de saturacin se usar derivadas parciales a la expresin usada anteriormente, es decir:

Como las constantes A, B y C son valores bibliogrficos, entonces, la expresin del error se resume de la siguiente manera:

Sustituyendo en la expresin anterior lo valores indicados previamente, resulta:

Por lo tanto, el valor de la temperatura de saturacin es:

Habiendo determinado la temperatura de saturacin, se supondr que sta es la temperatura de la pared interna de la coraza del evaporador.Debido a que el material del evaporador posee una elevada conductividad trmica y el espesor del mismo es muy pequeo, podra suponerse que la temperatura de la pared externa del evaporador (temperatura de la pared interna del aislante) es igual a la interna.Para determinar el flujo de calor que aparece en la ecuacin (5), ste se aproximar a un mecanismo combinado de energa trmica. Por ello, se supondr que el evaporador es un cilindro, cuyo dimetro interno es el externo del evaporador, el dimetro externo del cilindro es el mismo del aislante y la longitud es igual al de los tubos internos, la cual aparece en la tabla VII.Tambin se supondr que el flujo de calor ocurre solamente radial al cilindro.Se supondr que la temperatura a la cual se encuentra el aire es 29C (302,15K).Para determinar el flujo de calor y la temperatura a la cual se encuentra la pared del aislante, se debe realizar un mtodo iterativo con las ecuaciones que se muestran a continuacin: Empleando la ecuacin 7 para la conduccin trmica en el aislante: (7)(Incropera, 1999)Donde:conductividadtrmica delaislante, (W/m.K).temperatura de pared (K)dimetro, (m).i: adentro.o: afuera.longitud, (m).nmero pi, (3.1416)La conductividad trmica del aislante, considerando que es lana mineral (con aglomerantes de asbestos) aparece en la tabla I, y como sta aparece para una sola temperatura, entonces se supondr que es constante; por lo tanto:

Se usarn las ecuaciones 8 y 9, para la conveccin externa, entre la pared del aislante y el aire: (8)(Incropera, 1999)

(9)(Incropera, 1999) (10)El clculo del coeficiente convectivo se usarn las ecuaciones 10, 11, 12, 13, 14, como se muestra a continuacin:

(Incropera, 1999)Donde:Nu: nmero de Nusselt (Adim.)

(11)


(Incropera, 1999)

(13)(Incropera, 1999) La propiedades a las cuales se deben evaluar a temperatura de pelcula, usando la ecuacin 14:

(14)(Incropera, 1999)Con las ecuaciones planteadas previamente, se establecer un procedimiento de clculo como se indica a continuacin:

Suponiendo una temperatura Tw3 de 327,19K, sustituyndola en la ecuacin 14, resulta:

Habiendo calculado la temperatura de pelcula, se emplear la tabla VI, resultando:

Sustituyendo los valores anteriores en las ecuaciones 11 12 y 13, se tiene que:

Habiendo determinado el nmero de Nusselt, y la conductividad trmica del fluido, stos se sustituirn en la ecuacin 10, resultando:

Sustituyendo en la ecuacin 8 el valor del coeficiente convectivo y Tw3, obtenindose:

Finalmente, el flujo de calor se sustituir en la ecuacin 7, resultando:

Como la temperatura de la pared externa del aislante, supuesto difiere de 0,03K con respecto a la calculada, entonces puede decirse que:

Sustituyendo el flujo de calor en la ecuacin I, se tiene que:

Ahora se proceder a aplicar un balance de energa desde la salida del lquido saturado en el evaporador, hasta que pueda ser recolectado el condensado.Suponiendo que: El proceso es adiabtico La energa cintica y potencial son despreciables.La ecuacin simplificada del balance de energa correspondiente a la salida del agua condensada a la salida del evaporador es: (15)Sustituyendo en la expresin anterior los valores all indicados, los cuales estn ubicados en las tablas VI, resulta:

Aplicando un balance de masa en el mismo volumen de control, se tiene que: (16)

Resolviendo el sistema de ecuaciones generado por 15 y 16, se tiene que:

Para seleccionar el tiempo de recoleccin en el beaker, en la prctica se dispondr de un tiempo de 240min descartando 60min del tiempo de toma de propiedades, se tendr 180 minutos de realizacin de la prctica, siendo lo ms conveniente distribuirlo de la siguiente forma: 20 minutos en el arranque, 150 minutos en la operacin y 10 minutos en la parada. Si se realizaran durante la operacin 10 mediciones cada una repetida 3 veces, por lo cual para el llenado solo se tomarn 5 min.

Para determinar el volumen que ocupa la sustancia, se proceder a usar la ecuacin 16 junto con el valor de la densidad del fluido la cual se obtiene de la tabla VI, resulta: (16)(Himmelblau, 2002)Donde:V: Volumen, (m3).m: masa (kg).

Considerando que la estructura del recipiente, en el cual se va a recolectar la masa de agua saturada, se asemeja a un cilindro, cuyo dimetro interno es:

Sustituyendo estos valores en la ecuacin del volumen de un cilindro y despejando la altura H, se obtiene que:

Aplicando el mtodo de las derivadas parciales a la ecuacin anterior se obtiene:

Sustituyendo los valores indicados de la ecuacin anterior, resulta:

Por lo tanto, el valor de la altura de la columna de lquido a recolectar es:

O tambin:

La recoleccin de muestra se har 30 veces, por tanto, la duracin de la recoleccin en prctica ser:

Objetivo 2. Determinar el flujo msico de vapor y calcular el porcentaje perdido por vaporizacin sbita, a dos presiones de operacin. Operando solo con vapor.Calculo del flujo msico del condensado (17)(Himmelblau, 2002)Donde:: flujo msico (kg/s)mBll: masa del beaker lleno (kg).mBva: masa del beakervacio (kg).t: tiempo (s)cond: condensado.Sustituyendo los datos, para la primera la presin de operacin 10psi y para la primera corrida se tiene que:

Calculando el error:

Para el clculo del calor de la trampa se tiene la siguiente ecuacin: (18)(Incropera, 1999)Para el clculo del coeficiente convectivo externo de la tapa superior, media e inferior de la trampa de vapor se tiene la correlacin de Nusselt para placa plana:


Calculo del Grashof (20)(Incropera, 1999)Sustituyendo los datos para la tapa superior se tiene:

Finalmente:adimPara el clculo del nmero de Rayleigh se tiene: (21)(Incropera, 1999)Donde:Ra: nmero de Rayleigh (Adim.)Sustituyendo los datos:

Calculo del error:

Finalmente:adimSustituyendo los datos en la ecuacin (19):


Finalmente:

Para el clculo del coeficiente convectivo de la parte media y fondo de la trampa de vapor se utiliza la correlacin deNusselt para cilindro vertical ecuacin (19).Calculando el rea de la tapa superior de la trampa (22)(Himmelblau, 2002)Sustituyendo los datos:

Calculo del error:

Finalmente:

Ahora sustituyendo todos los datos en la ecuacin (8)


Finalmente:

De igual manera se procede para el clculo del resto de los calores en la parte superior, luego se promedian las tres corridas para la primera presin y luego para la segunda presin, as como en la parte inferior y media de la trampa.Haciendo un balance de energa en la trampa de vapor se tiene: (23)De las tablas de propiedades bibliogrficas se sabe que:Entalpa especfica(h) (J/kg.K) Pamb(h) ( (J/kg.K) PopEntalpa especfica (h) (J/kg.K) Pamb

Lquido saturado511,71410,28

Vapor saturado2708,62672,2

Sustituyendo los valores se tiene:

Clculo del error:g

Finalmente:

Se procede a calcular la masa por vaporizacin sbita: (24)(Himmelblau, 2002)Donde:vv: vapor perdido por vaporizacin sbita.Sustituyendo en la ecuacin anterior, lo valores indicados, se tiene:

El porcentaje perdido por vaporizacin sbita ser: (25)Sustituyendo los valores se obtiene:

Se aplica el mismo procedimiento para la presin de operacin mayor.

Objetivo 3. Determinar las prdidas de calor al ambiente [] del Evaporador Vertical operando slo con vapor, a dos presiones de operacin. NOTA: Calcular usando balance de energa y conveccin y compare los resultados.-Clculo del calor por balance de energa:

Haciendo un balance de energa y masa en el equipo que toma en cuenta el calor desprendido por la trampa de vapor, se obtiene:

Dnde:: prdidas de calor al ambiente del evaporador vertical (W)Con el flujo msico total y de condensado, adems del calor cedido por la trampa de vapor determinado en el objetivo 2 a la presin de operacin de 10 psi. Y los valores de entalpa que se encuentran en la tabla VI del apndice D, se sustituye en la ecuacin anterior:

Aplicando el mtodo de las derivadas parciales en la ecuacin anterior para la estimacin del error, se tiene que:

Dnde:error asociado a las prdidas de calor al ambiente del evaporador vertical (W)

Finalmente la velocidad de transferencia de calor es:

De la misma forma se determin el calor perdido al ambiente para la presin de operacin de 15 psi.

-Clculo del calor por mecanismos de transferencia de calor:

Los siguientes clculos fueron realizados para determinar las prdidas de calor al ambiente del evaporador a la presin de operacin de 15 psi trabajando con slo vapor por la coraza.

-Clculo de la temperatura promedio:

A partir de la ecuacin 27 se determina la temperatura promedio medida en cada posicin de la pared del evaporador.

(Himmelblau, 2002)Dnde:: temperatura promedio de la pared externa del evaporador (C): temperatura en la posicin i de la pared del evaporador (C)superiorintermedioinferiorSustituyendo los valores para cada corrida de la posicin superior del evaporador, se tiene:

Luego se determina la temperatura promedio de la pared externa del evaporador:

Aplicando el mtodo de propagacin de errores tomando el error instrumental, se tiene que:

Finalmente la temperatura promedio ser:

-Clculo de la temperatura de pelcula:A partir de la ecuacin 28 se obtiene la temperatura de pelcula en el evaporador: (28)(Incropera, 1999)Sustituyendo los valores, se tiene:


Dnde::error asociado a la temperatura de pelcula (K)

Finalmente la temperatura de pelcula ser:

-Clculo del Nmero de Grashof:A partir de la siguiente ecuacin se obtiene el nmero de Grashof en el evaporador:(29)(Incropera, 1999)Dnde:: nmero de Grashof (adim.): longitud del evaporador (m)El trmino se encuentra reportado en la tabla VI del apndice D, por medio de interpolacin se obtiene el valor para usar en clculo.Sustituyendo los valores en la ecuacin anterior, se tiene:


Dnde::error asociado al nmero de Grashof (adim.)

Finalmente el nmero de Grashof ser:

-Clculo del nmero de Rayleigh: (30)(Incropera, 1999)El nmero de Prandtl se obtiene a partir de la tabla XX del apndice X. Sustituyendo los valores correspondientes, se tiene:


Dnde::error asociado al nmero de Rayleigh (adim.)

Finalmente el nmero de Rayleigh ser:

Clculo del nmero de Nusselt:Se determina el nmero de Nusselt para una conveccin monofsica natural a un cilindro vertical (31)(Incropera, 1999)

Sustituyendo los valores que corresponden, se obtiene:


Dnde::error asociado al nmero de Nusselt (adim.)

-Clculo del coeficiente convectivo:Por medio de la definicin del nmero de Nusselt se obtiene la siguiente expresin:

(Incropera, 1999)Sustituyendo los valores que corresponden, se obtiene:


Dnde::error asociado al coeficiente convectivo

Sustituyendo, se obtiene:

Finalmente se obtiene el coeficiente convectivo:

-Clculo del Dimetro:A partir del permetro medido del evaporador y por medio de la ecuacin 33, se tiene:

Dnde:: dimetro del evaporador (m): permetro del evaporador (m)Sustituyendo los valores en la ecuacin anterior, se tiene:


Dnde::error asociado al dimetro del evaporador : error asociado al permetro del evaporador

Finalmente se obtiene el dimetro:

-Clculo de las prdidas de calor al ambiente de la pared externa del evaporador:A partir de la ecuacin 34, se tiene: (34)(Cengel, 2009)Dnde:; velocidad de transferencia de calor en la pared del evaporador (W)


Dnde::error asociado a las prdidas de calor al ambiente de la pared externa del evaporador (W)

Sustituyendo se tiene:

Finalmente se tiene la rapidez de transferencia de calor en la pared externa del evaporador:De la misma forma se determin el calor para los nulos superiores e inferiores del equipo.-Clculo del calor a travs de una aleta finita sin transferencia en la punta. (35)(Cengel, 2009)Dnde:: calor a travs de una aleta finita sin transferencia en la punta (W): nmero de aletas (adim.): eficiencia de la aleta (adim.): temperatura en la base de la aleta (C): superficie de la aleta que est en contacto con el fluido (m2)Para determinar la superficie de la aleta en contacto con el fluido, simplemente se suman las reas de las caras de la aleta que estn en contacto con el mismo:

Para determiner la eficiencia, se utiliza la ecuacin 36. (36)(Incropera, 1999)Dnde m y Lc son parmetros que se determinan de la siguiente forma: (37)(Incropera, 1999)Dnde:m: parmetro para la determinacin de la eficiencia de la aleta (1/m )A: rea de la aleta (m2)P: permetro de la aleta (m)K: conductividad de la aleta (W/mK)Sustituyendo los valores correspondientes, se tiene:m-1

(38)Dnde:Lc: longitud corregida de la aleta (m): longitud efectiva de la aleta (m)t: espesor de la aleta (m)Sustituyendo los valores correspondientes, se tiene:

Finalmente, la eficiencia de la aleta es:

Se sustituyen los valores en la ecuacin del calor y se obtiene:

-Clculo del calor a travs de una aleta finita con transferencia en la punta: (39)(Cengel, 2009)Dnde:: calor a travs de una aleta finita con transferencia en la punta (W): nmero de aletas (adim.): eficiencia de la aleta (adim.): superficie i de la aleta que est en contacto con el fluido (m2)Para determinar la superficie de la aleta en contacto con el fluido, se dividi la superficie en contacto con el fluido en figuras a las que se le conoce su rea de superficie y simplemente se suman las reas de las caras de la aleta que estn en contacto con el mismo:

El resto de los parmetros se calculan de forma similar al caso anterior, obtenindose:m-1

Se sustituyen los valores en la ecuacin del calor y se obtiene:

Se hace el mismo clculo para cada parte de la aleta y se suman de acuerdo a la cantidad de aletas ubicadas en el equipo. Finalmente la prdida de calor total del evaporador al ambiente para una presin de operacin de 15 psi por mecanismos de transferencia de calor es:

De igual manera se desarroll para la menor presin de operacin.

Objetivo 4. Verificar si existen condiciones de sobrecalentamiento a la salida del evaporador y su influencia en el proceso de transferencia de calor.De existir condiciones de sobrecalentamiento a la salida del evaporador, la temperatura del fluido debe ser mayor a la temperatura de saturacin del agua a presin ambiente. Clculo de la temperatura de saturacin:(40)(Himmelblau, 2002)Dnde:A, B y C: constantes de Antoinesat: saturacinFc: factor de conversin (273,15)

Despejando la temperatura y sustituyendo los valores correspondientes, se tiene:

Aplicando el mtodo de las derivadas parciales a la ecuacin anterior:

La temperatura de saturacin tiene la siguiente ecuacin asociada a su error:

Sustituyendo los valores correspondientes, se obtiene:

Finalmente,

Tcond

articulo evaporador condensador

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