RE-10-LAB-121 OPERACIONES UNITARIAS I v8

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Práctica No. 1 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS EN TUBERÍAS

1.

CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.-

Según la teoría, en hidráulica de tuberías, el Número de Reynolds está definido como un número adimensional que cuantifica la preponderancia de las fuerzas de inercia frente a las fuerzas viscosas que se oponen al movimiento de un fluido. Cuando el número de Reynolds es menor a 2100 para una tubería circular recta, el flujo siempre es laminar. Cuando el valor es superior a 4000, el flujo será turbulento excepto en algunos casos especiales. Entre estos dos valores valo res o región de transición, el flujo puede ser viscoso o turbulento, dependiendo de los detalles del sistema que no se pueden predecir.

Fig. 1. Flujo laminar y flujo tur turbulento bulento

El Número de Reynolds está definido por la siguiente relación: Re

V  d    

=

 

Dónde: V: d:   :

 

Velocidad media. Longitud característica del sistema, en el caso de flujo a presión en tuberías representa el diámetro interno del conducto. Viscosidad cinemática del fluido, dependiente de la temperatura.

El valor del Número de Reynolds se utiliza para identificar tres estados muy importantes: •  Laminar. • 

Crítico o en transición.

• 

Turbulento. 1

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I En flujo laminar las partículas fluidas se mueven en trayectorias paralelas, formando el conjunto de ellas capas o láminas. Siendo la velocidad de las capas adyacentes de fluido de distinta magnitud. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona las tensione tensioness cortantes con la velocidad de deformación angular. El flujo en transición es aquel donde toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido. En flujo turbulento las partículas del fluido se mueven en forma desordenada en todas direcciones, es prácticamente imposible conocer la trayectoria individual que sigue cada partícula

Fig. 2. Comport amiento del lílíquid quid o a diferentes velocidades 2.

COMPETENCIAS.-

Describe el comportamiento del movimiento de un fluido en un conducto, para la identificación del régimen en el que se encuentra, a través de la observación del proceso de mezcla de un chorro de tinta introducido durante el flujo del fluido y el cálculo del número de Reynolds. 3.

MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS.- 

Ítem Ítem

MATERIALES Y EQUIPO EQUIPOS S De Denomin nomin ación Ca Cantid ntidad ad Unidad

1

Equipo de medición del número de Reynolds

1

Pza

2

Depósito de fluido

1

Pza

1

Pza

3 Recipiente contenedor de tinte 2

Observaciones Todos los equipos y materiales se utilizan para un máximo de 15 estudiantes

 

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Tubería de descarga

1

Pza

5

Cronómetro

1

Pza

6

Termómetro (0-100 ⁰C)

1

Pza

7

Flexómetro

1

Pza

8

Calibrador Vernier

1

Pza

9

Mangueras de conexión

10

mt

10

Baldes de 10 L

3

Pzas

11

Probeta x 1000 mL

1

Pza

Ítem Ítem 1 2 3

De Denomin nomin ación

INSUMOS Ca Cantid ntidad ad Unidad

Agua de grifo

100

L

Tinte de color

10

ml

Observaciones Todos los insumos se utilizan para un máximo de 15 alumnos

Material de limpieza

Grafica que se utiliza en la práctica donde se indica las partes de que consta: 1. Válvula dde e entrada 2. Depósitos de fluido. Las dos cámaras tienen la función de mantener la carga constante sobre la entrada de agua en la tubería transparente. 3. Recipiente contenedor de tinte y tubo inyector. 4. Salidas reguladoras de Fluido. 5. Tubería transparente, en la cual se puede apreciar las características del flujo. 6. Válvula de control reguladora, determinará el caudal en la salida.

3

 

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TECNICA Ó PROCEDIMIENTO.- 

Consiste en reproducir en laboratorio la ocurrencia de flujo laminar, transicional y turbulento. La determinación de alguno de ellos se efectuará visualmente, observando las trayectorias de partículas colorantes inyectadas en el agua clara.

Paso 1) Paso 2)

Paso 3) Paso 4) Paso 5) Paso 6) Paso 7)

Familiarizarse con la descripción y la instalació instalaciónn del experimen experimento. to. Medir el diámetro externo de la tubería transparente y las dimensiones del recipiente aforador. Como dato considerar 0,5 mm de espesor para la tubería. Medir la temperatura del agua y controlar permanentemente el nivel de agua no varíe. Abrir la llave de entrada para llenar el tanque de agua, mientras la válvula de control debe permanecer cerrada Una vez llenado el tanque de agua, abrir la válvula de control, de modo que el caudal se incremente. Dejar pasar la tinta por el tubo. Regular la velocidad de movimiento en el tubo mediante la llave, de tal manera que el chorro coloreado ocupe una posición estable en el centro del tubo (crear unas velocidades de movimiento muy pequeñas de líquido en el tubo). La pposición osición estable del chorro claramente pintado en el centro del tubo corresponde a flujo de régimen laminar.

4

 

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Medir el caudal mediante el método volumétrico. Es Este te método consiste en determinar el volumen del recipiente de aforo y el tiempo de llenado. Para ello se debe medir el tiempo mediante un cronometro hasta un nivel predeterminado en el recipiente. Luego calcular el volumen de agua almacenada y deducir el caudal mediante: Q

Vol   =

t 

 

Dónde: Vol = Volumen de recipiente t = Tiempo transcurrido para el llenado del recipiente

tir este paso el número de veces necesarias de manera que eda desarrollar un tratamiento de errores. Paso 9)

Observar a través de la tubería de vidrio el patrón de flujo instalado, realizando para ello, las anotaciones y observaciones pertinentes.

Paso 10)

Realizar 3 mediciones para distintas aperturas de la válvula de control, de acuerdo a la sugerencia del docente.

Registrar las mediciones en forma ordenada, acompañar los cálculos intermedios que fundamenten fundament en el resultado final. Se tiene a disposición planillas ejemplo para la compilación de datos. 5. TIEMPO DE DURACIÓN DURACIÓN DE LA PRÁCTIC PRÁCTICA.A.La práctica tiene una duración de 100minutos 6.

MEDICIÓN, MEDIC IÓN, CALCULOS Y GRÁFICOS.- 

En el transcurso de la práctica y al final de esta, el alumno deberá tomar nota de todos los aspectos que considere necesario. Se recomienda utilizar la siguiente planilla de datos. Magnitud física 

Valor 1 

Tiempo de llenado del aforo t (s)

5

Valor 2

Valor 3

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Volumen de agua recolectada cm3 Caudal de agua Q (cm3/s) Velocidad media V (cm/s) Temperatura del agua T (ºC) Viscosidad cinemática    (cm2/s) Diámetro de la tubería D (cm) Número de Reynolds Re Tipo de régimen laminar o turbulento Esta planilla de registro de datos debe ser entregada en fotocopia el mismo día de su realización en laboratorio. Calcular el número de Reynolds para cada medición realizada Se procederá de acuerdo a la explicación del docente 7.

CUESTIONARIO.- 

Este cuestionario debe ser respondido luego de la realización del experimento. 1. ¿Qué fuerzas relaciona el número de Reynolds? 2. ¿A qué se denomina flujo Laminar o régimen laminar? 3. ¿Cuál es la diferencia entre fluido laminar, transicional y turbulento? 4. ¿A qué se denomina fluido laminar completamente desarrollado? Y a qué se denomina

fluido turbulento completamente desarrollado? 5. Por una tubería con un diámetro (DI) de 2,067[pulg] fluye agua a 303[°K] con una

velocidad de 10[gal/min]. Calcule el número de Reynolds usando unidades del sistema inglés y S.I. 6. Se está bombeando aceite dentro de una tubería de 10[mm] de diámetro con número de

Reynolds de 2100. La densidad del aceite es de 855[kg/m 3] y su viscosidad es de 2,1*102 [Pa*s] a) Calcule la veloci velocidad dad en la tu tubería bería

6

 

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7

   

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Práctica No. 2 MEDICIÓN DEL CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOS 1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO. -

El movimiento de fluidos, por lo general se transfiere de un lugar a otro por medio de dispositivos mecánicos tales como bombas o ventiladores por carga de gravedad o por presión, y fluyen a través de sistemas de tuberías o equipos en proceso. Aplicando los principios de conservación de la masa a la totalidad del sistema o a una parte del mismo tenemos:  =  + ó  Puesto que en el flujo de fluidos generalmente se trabaja con velocidad de flujo y casi siempre en estado estacionario, la velocidad de acumulació acumulaciónn es cero y se obtiene:    =    ( )  Un sistema simple de flujo en el que el fluido entra a la sección  1  con una velocidad promedio 1 y una densidad 1  y el fluido sale por la ssección ección 2 con una velocidad promedio 2. Como se puede observar en la figura 1  

 

Área 1

PROCESO 

 

Área 2

Figura 1.1 Balance de masa en un sistema de fluidos

El balance de masa será:

1 11 = 2 22  1.1.

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

Está establecido que el caudal Q es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a través de una sección transversal a la corriente. Considerando un elemento infinitesimal de área dA y su correspondiente velocidad normal vn tal cual se lo muestra en la figura 1.1, entonces el caudal está definido como: dQ

=

v n dA



Q= v   n dA

8

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Si la corriente es uniforme (velocidad constante) o si V  es la velocidad media y  A  la sección transversal total, la ecuación anterior adopta la forma: Q

  =

V  *  A

Ahora bien, si se analiza una vena líquida líquid a formada por una infinidad de líneas de corriente, como se muestra en la figura 1.2, es posible apreciar lo siguiente:

Fig. 1.2 Líneas de corriente que atraviesan un área infinitesimal

Por tanto:    1V 1 dA1

=

  2V 2 dA2  

=

Cte

En un fluido incompresible el caudal que atraviesa una sección transversal cualquiera es constante V 1 dA1

V 2 dA2

=  

=

Cte

La ecuación de continuidad para un tubo de corriente y un fluido incompresible, incompr esible, se obtiene integrando la ecuación anterior. De donde resulta: Q

  =

V  *  A

Dónde: Q = caudal total del tubo  A = área de una sección sección transversal transversal del tubo V = velocidad media normal a la sección considerada

1.2. ECUACIÓN DE BERNOULLI PARA U UNA NA LÍNEA DE CORR CORRIENT IENTE E (FLUIDO IDEAL)

9

(1.2)

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I La ecuación de Bernoulli es tal vez la más usada en aplicaciones de flujo de fluidos. La deducción de esta importante ecuación, inicia con la aplicación de la segunda ley de Newton a una partícula de fluido. Las fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido en movimiento son: •  •  •  •  • 

La fuerza de gravedad, peso propio. La fuerza de presión. La fuerza de viscosidad. Es nula en el fluido ideal. La fuerza de elasticidad. Es nula en el fluido incompresibl incompresible. e. La fuerza capilar o tensión superficia superficial.l. Juega un papel poco importante.

La fuerza de gravedad es interna al fluido mientras que las otras son externas. Las únicas fuerzas a considerarse sobre la partícula de fluido ideal son las fuerzas de presión y el peso propio (fuerza de gravedad), como se muestra en la figura 1.3. En un fluido ideal la viscosidad es nula, por tanto, no hay transformación de energía hidráulica en energía térmica. Además de ser un fluido ideal, es necesario que el flujo sea irrotacional (ocurre cuando las partículas se trasladan sin realizar giro alguno alrededor del centro de gravedad). Por otro lado, en régimen permanente la trayectoria de una partícula de fluido coincide con una línea de corriente. Si además esta partícula de fluido no recibe energía de una maquina (bomba) ni tampoco sede energía a una maquina (turbina), en el desplazamiento de la partícula de un punto a otro a través de una línea de corriente, corr iente, no se producirán cambios c ambios en la energía, es decir la suma total de la energía que posee la partícula debe permanecer constante. Analizando una partícula de fluido en movimiento se puede observar las fuerzas que actúan sobre ella, tal como lo muestra la figura 1.3:

10

 

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Fig. 1.3

Obtiene la sumatoria de las fuerzas en la dirección del movimiento, el resultado es: 2

v1

2

+

 p1

2

+

  

gz1

=

v2

+

2

 p2   

+

gz 2

Conocida ecuación de Bernoulli. Recordando los supuestos necesarios para su deducción:  

Flujo no viscoso (sin esfuerzos cortante cortantes) s)

 

Flujo estable

 

A lo largo de una línea de corriente

 

Densidad constante

•

•

•

•

v

=0

t 

   s

a

s

=v

v s

=0

Si se divide la ecuación de Bernoulli entre g, se convierte en: 2

v1

2g

+

 p1   

2

+

 z1

=

v2

2g

+

 p2   

+

 z2

Donde las variables representan la energía por unidad de peso. Es decir: z = energía potencial p/    = energía de presión v2 /2g = energía de velocidad

11

 

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 p

+  z

se denomina carga piezométrica, y la suma de los tres

 

términos es la carga total total o energía total total en un punto. Es muy común referirse a lla a presión

p como presión estática estátic a y la suma de los dos términos se denomina presión total o presión presi ón

de estancamiento. 2

v     = pt   p est  +    2

1.3.

ECUACIÓN DE LA ENER ENERGÍA GÍA

En un fluido real la viscosidad origina un rozamiento (fuerza de fricción) tanto del fluido con el contorno (tubería, canal) y de las partículas de fluido entre sí. Es decir, además de las tres clases de energía enumeradas anteriormente, se considera la pérdida de energía por fricción o energía perdida hr , tal como lo muestra la figura 1.4 desde la sección 1 hasta la 2.

Fig. 1.4 Esquema de la línea de energía y la línea de cargas piezométricas Entonces la ecuación de energía, se escribe de la siguiente forma.  p1

 

+

 z 1

+

V 12 2g

12

=

 p 2

 

+

 z 2

+

V 22 2g

+

hr 

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Esta ecuación se puede aplicar a cualquier flujo uniforme permanente con una entrada y una salida que tengan una carga total uniforme. La ecuación de energía se reduce a una forma idéntica a la ecuación de Bernoulli si las pérdidas son cero. Sin embargo, se debe recordar recordar,, que la ecuación de Bernoulli es una ecuación de momentum que solo puede aplicarse a lo largo de una línea de corriente y que la ecuación 1.11 se aplica entre dos secciones de un flujo. 1.4. TUBO DE VENTURI

El esquema del tubo Venturi se muestra en la Fig. 1.4. Consta de tres partes: una convergente, otra de sección mínima o garganta, y finalmente una tercera parte divergente. Se mide la diferencia de presiones entre la sección 1, y la parte convergente (sección 2, garganta del Venturi), utilizando dos manómetros simples.

Fig. 1.4 Tubo Venturi

Despreciando en primera aproximación las pérdidas, se puede aplicar la ecuación de Bernoulli para una línea de corriente entre las secciones 1 y 2.  p1   

2

+

 z 1

+

V 1

2g

  =

 p 2   

2

+

 z 2

+

V 2

2g

Despejando V2: V 2

=

1 1 − (  A2  /  A1 )

2

2 g  [(  p1  /     +  z 1 ) − (  p 2  /     +  z 2 )]

13

 

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 Q'  = V 2 A2 =

 A2 2   A2  

1 − 

   A1  

2  g       p1 +  z 1  −     p 2 + z 2 

    

      

 

Como z1 y z2 se encuentran en el mismo nivel y además por hidrostática: h

 p   =

  

Entoncess la ecuación anterior toma la forma: Entonce Q =

2 g ( h1 − h2 )

 A2   2   A2  

1 − 



   A1  

El caudal real Q será distinto del expresado en la ecuación anterior en virtud del rozamiento, que no se ha tenido en cuenta, y que puede valorarse por un coeficiente de velocidad Cv, que oscila de 0,95 a poco más que la unidad, pudiéndose tomar como valor indicativo 0,985 para tubos nuevos y 0,98 para los que ya han estado en uso. Es decir: Q=

C v A2

  A2      A1  

2 g ( h1 − h2 )

2

1 − 

Donde: h1 , h2 = alturas piezométricas en los puntos 1 y 2.

Finalmente definiendo definiendo un coeficient coeficientee de descarga Cq que se calculará experimentalmente mediante el tarado del tubo Venturi. C q =

C v

  A2   )   A1  

1−

14

2

 

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−

Tanto Cv , como Cq no son constantes, sino que dependen del número de Reynolds. El tarado del tubo Venturi consiste en obtener experimentalmente la curva Cq =    (R), donde R= número de Reynolds.

Si se considera en el anterior análisis las pérdidas de energía, es posible aplicar la ecuación de energía de la siguiente manera:  p1   

2

+

 z 1

+

V 1

=

 p 2

2g

  

2

+

 z 2

+

V 2

+

hr 

2g

Despejando las pérdidas menores en función de las velocidades y las presiones en los puntos 1 y 2 resulta:   p2 V 22     p1 V 12    − hr  =  + +     2 g      2 g         

Error porcentual

  =

 | − | ∗ 100  

2. COMPETENCIAS.-

Determina el coeficiente del venturímetro (Cv), para la calibración de este dispositivo de medida de flujo, a través de la relación entre el caudal real, medido por el método de aforo volumétrico y el caudal teórico, calculado utilizando las alturas piezométricas y el balance de energía mecánica. 3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS. -

MATERIALES MATERIA LES Y EQUIPOS 15

 

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Denominación  

Cantidad Unidad

Equipo banco móvil

1

Pza

1

bomba de agua Tubo Venturi

1 1

Pza Pza

2

Regla de 30 cm

1

Pza

3

Baldes de plástico de 10L

2

Pzas

4

Mangueras de conexión

3

Pzas

5

Cronometro

1

Pza

6

Calibrador de longitud

1

Pza

7

Probeta graduada de 1000 ml

1

Pza

Observaciones Todos los equipos y materiales se utilizan para un máximo de 10 estudiantes

INSUMOS Ítem

Denominación  

1

Agua de grifo

2

Material de limpieza

Cantidad Unidad 50

L

Fig 1.5 Equipo banco móvil

4. TECNIA Ó PROCEDIMIENTO.- 

16

Observaciones Todos los insumos se utilizan para un máximo de 10 alumnos

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Esta experiencia de laboratorio laborat orio consta de dos partes, en la primera se determi determina na el caudal y la velocidad, con ayuda del tubo Venturi y en la segunda se determina el coeficiente de descarga. 4.1. 4.1. De Determinación terminación del caudal

1. 2. 3. 4. 5.

Armar el equipo de acuerdo con las siguientes figuras1.5 y 1.6 Regular un flujo permanente en el Venturímetro, ajustando con cuidado las válvulas de entrada y de salida de los tubos piezométricos (válvula superior). Medir en los piezómetros del tubo Venturi las alturas piezométricas correspondientes a las distintas secciones del Venturímetro. Medir el caudal aplicando el método de aforo volumétrico con tres lecturas de tiempo como mínimo. Repetir el proceso para obtener varios datos de ensayo, mínimo tres. Nota: evitar la presencia de burbujas de aire en los tubos de venturi.

4.2. 4.2.

1.

2.

3.

De Determinación terminación del coeficiente de descarga

Medir las alturas h1  y h2  (alturas piezométricas para las secciones 1  y 2  del Venturímetro) para distintos caudales Q. El caudal se mide a través del tiempo para un determinado volumen que varía regularmente. Determinar el coeficiente del venturímetro Cv, representand representandoo los valores del caudal real (Q) versus el teórico (Q´), como la pendiente de la relación lineal entre ambos. Aplicar la ecuación para determinar el coeficiente de descarga Cq  C  C q =

v

  A   1 −  2 )   A1  

5. TIEMPO DE DURACIÓN DURACIÓN DE LA PRÁCTIC PRÁCTICA.A.-  

La práctica tiene una duración de 100 minutos 6. MEDICION, MEDICION, CAL CALCULOS CULOS Y RESULTADOS.-

Llenar la siguiente tabla:

17

2

 

GUÍA DE PRÁCTICA PRÁ CTICA OPERACIONES OPERACIONES UNITARIAS I Código Códig o de registro: regist ro: RERE-10 10-LAB-12 -LAB-121 1 Ve Versi rsión ón 8. 8.0 0 UNIVERSIDAD DEL VALLE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I Número de ensayos   Nº 1  Nº 2  Nº 3 

Magnitud física 

Altura piezométrica en 1 (Tubo Venturi) Altura piezométrica en 2 (Tubo Venturi) Caudal

Volumen aforo (mL) Tiempo (min)

Altura en 1 (Tubo Venturi) Altura en 2 (Tubo Venturi) Ancho del tubo Venturi

7.

2. 3. 4. 5. 6. 7.

CUESTIONARIO.-

Existe alguna diferencia en la aplicación de la ecuación de Bernoulli y la de Energía?, ¿por qué? ¿A qué se debe que la gradiente de energía no sea horizontal, es decir, H = constante? ¿Qué significa llaa difere diferencia ncia de alturas, entre las altura alturass totale totaless y llas as altura alturass de presión? A partir de los datos de la segunda parte, determinar los caudales en función de las alturas piezométricas del tubo Venturi. Comentar las diferencias de los caudales reales con los teóricos. Petróleo crudo con una densidad de 892 [kg/m 3] fluye a través del sistema de tuberías -3

3

que se muestra en figura 1. a una velocidad total de 1,388*10  [m /s] a la entrada de la tubería 1. El flujo se divide en partes iguales entre las 3 tuberías. Las tuberías son de acero de cedula 40. Calcule: a) Velocidad total del flujo de ma masa sa m en las tuberías 1 y 3. b) Velocidad promedio v en 1 y 3. c) Velocidad de masa G en 1.

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TRANSFERENCIA TRANSFEREN CIA DE CAL CALOR OR I 1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como el resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor, la transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica, termodinámic a, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía.

Los modos de transferencia de calor son: Conducción •  Convección •  Radiación • 

Transferencia de Calor por Conducción ; La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales.

La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y

cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1y T2, con T2> T1, se encuentra que el calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en

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Donde k(en W/mºC) se llama conductividad térmica del material, magnitud magnitu d que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y

es el gradiente de temperatura.

El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura. Transferencia de calor por Convección:   Mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia.

Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del Enfriamiento:

 = ℎ( − ∞) 

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Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación electromagnética. La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotón se llama rayo). La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la Transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia.

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 = 4  Donde   es la constante de proporcionalidad y se denomina constante de StefanBoltzman, que tiene un valor  = 5.669 ∗ 10−8 W/(2 ∗ 4). 2. COMPETENCIAS.- 

Caracteriza los procesos de transferencia de calor que ocurren en una superficie determinada, para estimar las pérdidas de calor en dicha superficie, a través de mediciones de temperatura en los fluidos y superficie, dimensiones de la superficie y tomando en cuenta los mecanismos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. 3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS.MATERIALES MATERIA LES Y EQUIPOS Ítem

Denominación

Cantidad Unidad

Observaciones

1

Caldero de vapor de 200 Kg/hr

1

Pza

2

Medidor de caudal de gas natural

1

Pza

3

Bomba de agua de 0.5 hp

1

Pza

4

Bomba de agua de 2.0 hp

1

Pza

Todos los equipos y

5 6

Condensador de vapor Termómetro infrarrojo

1 1

Pza Pza

7

Guantes de trabajo

15

Pzas

materiales se utilizan para un máximo de 15 estudiantes

8

Flexómetro

1

Pza

9

Termómetro de bulbo

1

Pza

10

Tabla de propiedades

1

Pza

INSUMOS

23

 

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Denominación

Cantidad Unidad

Observaciones

1

Gas natural

15

m3

Todos los insumos se

2 3

Agua de red Material de limpieza

100

L

utilizan para un máximo de 15 alumnos

4. TECNICA Ó PROCEDIMIENTO.-  -  - 

Medir las dimensiones del contenedor de ladrillo refractario y la chapa de acero Tomar la temperat temperatura ura de la superficie del contenedor de ladrillo refractario, tomar 10 mediciones distribuidas uniformemente uniformemente en la superficie Medir el espesor de la chapa de acero.

5. TIEMPO DE DURACION DURACION DE LA PRACTICA.-

Tiempo de duración aproximado de la práctica 100 minutos . 6. MEDICIÓN, MEDICIÓN, CÁL CÁLCULOS CULOS Y GRÁFICOS GRÁFICOS..1. 2. 3.

Calcule el coeficiente glo global bal en el ladrillo refractario refractario y la chapa de acero. Calcule la perdida de calor total del contenedor de ladrillo refractario. Cuanto es la perdida de energía en porcentaje si se genera 140000 Kcal/hr en el hogar del caldero.

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Realice un gráfico del perfil de temperaturas con los datos encontrados.

7. CUESTIONARIO.-

Cuantos Mecanismos de Transferencia de Calor están presentes en la Práctica. Explique 2. Calcule la temperatura entre el ladrillo Refractario y la chapa de acero, suponga la temperatura temperatura interna del ladrillo refract refractario ario a 720ºC. 3. Qué tipo de flujo este presente entre el contenedor de ladrillo refractario? 4. La Unidad de Destilación Experimental de Hidrocarburos tiene uunn horno de combustión de acero revestido de ladrillo refractario, la altura del horno es de 1.2 m, diámetro de 0.9 m y un espesor de 7 cm, la temperatura entre la llama y el ladrillo de la superficie es de 35 3500 ºC y está en contact contactoo con el aire (Asuma temperatura ambiente 25 ºC). Calcule el coefici coeficiente ente de transferencia de calor si la temperatura de la superficie de acero exterior es de 80 ºC. 5. Un cuarto de almacenamiento refrigerado se construye con una plancha interna de 12,7[mm] de pino, una plancha intermedia de 101,6[mm] de corcho presado y una plancha externa de 76,2 [mm] de concreto. La temperatura superficial de la pared interna es de 255,4[°K] y la exterior del concreto es de 297,1[°K]. Las conductividades en unidades S.I. son 0,151 para el pino; 0.0433 para el corcho pesado y 0,762 para el concreto todas en [W/m°K]. Calcúlese la perdida de calor en [W] para 1 m2, así como la temperatura en la interfaz de madera y el corcho prensado. 6. Una ventana de vidrio con área de 0,557[m 2] se instala en la pared externa de madera de una habitación. Las dimensiones de la pared son 2,44*3,05[m]. La madera tiene un k de 0,1505[W/m*°K] y su espesor es de 25,4[mm]. El vidrio tiene 3,18[mm] de espesor y k = 0,692. La temperatura interior de la habitación es 299.9 [°K] (26,7°C) y la temperatura del aire exterior es 266,5[° K] el coeficiente 2 convectivo hi del pared del interior del vidrio y de la madera es 8,5[W/m *K] y el h0  externo también es 8,5 para ambas superficies. Calcule la perdida de calor a través de la pared de madera, del vidrio y el total. 1.

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Los intercambiadores de calor pueden tener como modo primario de transferencia de calor la conducción y convección. El coeficiente global de transferencia de calor, al ser estudiado a través de una pared plana, esta expresada por:

Donde   y son las temperatura del fluido a cada lado de la pared. El coeficiente global de transferencia de calor se define mediante la relación:

  = =  ∆  El coeficiente de transferencia de calor estudiado en un intercambiado intercambiadorr de calor con dos tubos concéntricos, en el cual el fluido circula por el interior del tubo más pequeño, mientras que el otro fluido discurre por el espacio anular que entre los dos tubos, esta expresada por:

Dónde: U= Coeficiente global de transferencia de calor. A= Área total de transf transferencia erencia de calor re referida ferida a U ∆ = Diferencia de temperatura entre el vapor y el agua. La diferencia media logarítmica de la temperatura ∆ se la debe calcular con la siguiente ecuación. 26

 

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Se debe hacer notar que el vapor es un caso especial ya que se considera que la temperatura del mismo permanece constante en todo el intercambiador.

2. COMPETENCIAS.-

Evalúa el funcionamiento de un equipo de intercambio de calor para determinar el valor del coeficiente global de transferencia de calor, en base a las características del intercambiador y las mediciones experimentales de temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frio. 3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS.MATERIALES MATERIA LES Y EQUIPOS Ítem

Denominación

Cantidad Unidad

1

Caldero 200 Kg/hr

1

Pza

2

Intercambiador de calor

1

Pza

3

Enfriador de agua

1

Pza

5

Cronómetro

1

Pza

6

Termómetro Infrarrojo

1

Pza

7

Balanza

1

Pza

8

Probeta de 2000 ml

1

Pza

9

Valdés de 10 L

2

Pzas

10

Probeta graduada de 1000 ml

1

Pza

INSUMOS 27

Observaciones Todos los equipos y materiales se utilizan para un máximo de 15 estudiantes

 

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Denominación

Cantidad Unidad

Observaciones

1

Agua de red

100

L

Todos los insumos se

2

Gas natural

15

m3

utilizan para un máximo de 15 alumnos

5

Material de limpieza

4. TECNICA O PROCEDIMIENTO.-

Seguir el circuito de flujos y observar cómo se comportan los accesorios de control y seguridad. Registrar la presión a la que entra el vapor, mediante tabla determinar la temperatura del vapor. Registrar la temperatura de entrada y salida de aagua gua del interc intercambiador ambiador Calcular el área, utilizand interna yo externa de .calor total de los tubos en el intercambiador, intercambiador utilizando el planodedeltransferencia intercambiador intercambiador. Calcular la diferencia de temperatura y del área (con el radio interno y el radio externo) por el método de LMTD. Medir el caudal de agua

ESQUEMA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR.-

5. TIEMPO DE DURACION DURACION DE L LA A PRACTIC PRACTICA A .-

Tiempo de duración aproximado de la práctica 100 minutos . 28

 

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Con el uso de las ecuaciones mencionadas en el marco teórico, determinar el coeficiente de transferencia de calor global U. Calcule al calor total transferido. Calcule la eficiencia del intercambi intercambiador ador de calor Existen perdidas de calor? Justifique su respuesta

7. CUESTIONARIO.1. Que es el factor de suciedad o ensuciamiento? Qué efectos tiene en los

intercambiadores de calor? 2. Cuáles son las ventajas y desventajas de usar: Intercambiador de calor de doble tubo, Intercambiador de flujo cruzado, Intercambiador de tubo y coraza, en que situaicones es conveniente cada uno, explique 3. Se desea desea cale calentar ntar uuna na corrie corriente nte de 6.03 kg/s de aceite vegetal de 25ºC a 90ºC, con vapor de agua en un intercambiador de tubos y coraza, la presión de ingreso del vapor de agua es 110 Kpa y la presión de salida del mismo es 139 Kpa, el área del intercambiador es de 2.3 2. Determine: La media de la diferencia de temperatura -  Coeficiente global de transferencia de calor en /2   -  5. Una mezcla de reacción con cpm=200,85 [KJ/Kg*°K], que fluye a velocidad de 7260[kg/h] y se debe enfriar de 377,6[°K] a 344,3[°K] se dispone de agua de enfriamiento a 288,8[°K] con velocidad de flujo de 4536 [kg/h]. El valor general de U 0  es 653[W/m2*K]. a) Calcule la temperatura de salida del agua y el área A del intercambiador operando a contracorriente. b) Repita para flujo en paralelo 6. En el circuito del intercambiador de calor explique qué finalidad tiene el regulador de presión y cómo influye está en la temperatura.

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