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Reporte de laboratorio transferencia de calor
Tipo: Apuntes
1 / 12
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MO
OBJETIVO
Determinar la rapidez de transferencia de calor del vapor de agua en un tanque con serpentín
INTRODUCCIÓN
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor tiene lugar por medio de uno o más de los siguientes mecanismos de
transferencia.
o Conducción. Este término es utilizado para hacer referencia a la transferencia de calor que
se produce al existir un gradiente de temperatura en un medio estacionario, pudiendo
tratarse de un sólido o un fluido. Consistiendo en la transferencia de energía cinética entre
moléculas adyacentes o transferencia energía por medio de electrones “libres”, en sólidos
metálicos. Ejemplos de este mecanismo son la transferencia a través de paredes,
intercambiadores de una nevera, en el forjado de acero, la congelación del suelo durante
invierno, etcétera (Geankoplis, 1998).
o Convección. Implica el transporte de calor en un volumen y mezcla de elementos
macroscópicos de porciones calientes y frías de un fluido (gas o líquido), también se incluye
en esta categoría el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido. La
convección puede ser de dos tipos (Geankoplis, 1998):
Convección natural. En esta, la mezcla de elementos macroscópicos del fluido se da
por el ascenso y descenso de los mismos debido a la diferencia de densidades
ocasionada por el gradiente de temperatura en el fluido. Como es el caso del
calentamiento de agua en una olla (Kern, 1965).
Convección forzada. En este caso la mezcla de porciones del fluido es inducida por
medio de agitación manual o mediante el uso de equipos como bombas, en el caso
de líquidos; y ventiladores, en el caso de gases (Kern, 1965).
o Radiación. Transferencia de calor debida a energía en forma de ondas electromagnéticas,
la cual es emitida por todas las superficies con temperatura finita. Este mecanismo no
requiere un medio físico para la transferencia de calor; puesto que, la energía puede
transferirse a través del espacio por medio de tales ondas electromagnéticas. Los sólidos y
Figure 1. A la izquierda, comparación entre la convección forzada y natural. A la izquierda, movimiento
detallado de las corrientes de fluido en la convección natural.
Considerándose que 𝑘 es constante y no varía con la temperatura y eliminando por conveniencia el
subíndice de 𝑞 𝑥
(Geankoplis, 1998)
𝟐
𝟏
𝟏
𝟐
COEFICIENTE GLOBAL
DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
Considerándose como ejemplo
la pared plana de la siguiente
figura, en contacto con un fluido
A por una cara y con un fluido B
por la otra cara, siendo 𝑇 𝐴
𝐵
La transferencia de calor puede
ser expresada por (Holman, 1998):
𝟏
𝑨
𝟏
𝟏
𝟐
𝟐
𝟐
𝑩
La transferencia de calor global se calcula como el cociente entre la diferencia total de temperaturas
y la suma de las resistencias térmicas, de la siguiente forma (Holman, 1998):
𝑨
𝑩
𝟏
𝟐
Donde el valor de 1 /ℎ𝐴 representa la resistencia a la transferencia de calor por convección. La
transferencia de calor global que combina la conducción y la convección se expresa comúnmente
como función de un coeficiente global de transferencia de calor (U) , mediante la siguiente ecuación
(Holman, 1998):
𝒈𝒍𝒐𝒃𝒂𝒍
Por tanto, en este caso el coeficiente global de transferencia de calor (U) , se expresa como
(Holman, 1998):
𝟏
𝟐
De esta forma, el coeficiente global de transferencia de calor (U), hace referencia a la facilidad con
la cual se transfiere el calor a través de una serie de medios resistentes (Holman, 1998).
Figure 3. Transferencia de calor a través de una pared plana en contacto
con un fluido (A) y un fluido (B), siendo T A
>T B
.
MATERIALES Y REACTIVOS
Unidad de control de Temperatura y Nivel
2 termómetros
Cinta métrica
Vaso de precipitado de ½ litro
PROCEDIMIENTO
1.- Se toma la lectura de la presión de la caldera para anotarla.
2.- Posteriormente se mide el diámetro del serpentín tanto del tubo como el de una vuela.
3.- Se cuenta el número de las vueltas que tiene dicho.
4.- Se llena el tanque de agua y se toma la temperatura.
5.- Se fija una temperatura de trabajo en el control.
6.- Se abre la válvula de vapor y se comienza a tomar la temperatura cada 2 o 3 minutos hasta que
se alcance la temperatura a la que se fijó.
Figure 4. Unidad de control de
temperatura y nivel.
Figure 5. Serpentín y sus vueltas.
Figure 6. Control con temperatura
fijada.
Por otro lado, para la gráfica tiempo vs calor, nos basamos en el balance de energía en la unidad de
calentamiento para determinar el calor para cada par de datos experimentales. El balance energía
plantea lo siguiente:
Qv (Calor cedido ó suministrado) = Qs (Calor recibido)
Qv = Qs
𝐕
𝐠
𝐟
𝐒
𝐩
Donde:
M v
= masa de vapor, kg
H g
= entalpía de vapor, kcal/kg
H f
= entalpía del líquido saturado, kcal/kg
M s
= Masa de la solución, kg.
Cp= Calor específico de la solución en kcal/kg°C
∆T = T 2
, diferencia de temperatura donde
T 2
= temperatura final de la solución, en °C
T 1
= temperatura inicial de la solución, en °C
Por lo que, para determinar el calor transferido en cada medición, podemos analizar el sistema en
términos del calor cedido o del calor recibido. Se sabe que el volumen de agua se mantiene
aproximadamente constante, con un valor de 235 L; por lo que, debemos calcular para cada par de
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
T tanque (
°
C)
t (min)
tiempo vs T (°C)
datos experimentales la densidad y la capacidad calorífica en función de la temperatura del tanque;
así como la ∆T de cada medición. Con estos datos, podemos obtener el calor que recibe el agua.
Para ello, recurrimos a la tabla A-3 del apéndice A del libro “Termodinámica” de Cengel, a fin de
que, mediante interpolaciones, obtener los datos de densidad y capacidad calorífica de cada
medición. Las fórmulas empleadas fueron:
𝑖
3
𝑖− 1
𝑖+ 1
𝑖− 1
𝑖+ 1
𝑖− 1
𝑖
𝑖− 1
𝑃 𝑖
𝑖− 1
𝑖+ 1
𝑖− 1
𝑖+ 1
𝑖− 1
𝑖
𝑖− 1
las interpolaciones fueron:
Añadiendo estos valores a los datos experimentales, y aplicando la fórmula del calor
recibido, los resultados fueron:
Ti T i+1 T i-1 Cp 1 Cp 2 Cp cal ρ 1 ρ 2 ρ calc
30 25 50 4.18 4.22 4.188 997 988 986.
40 25 50 4.18 4.22 4.204 997 988 982.
58 50 75 4.18 4.19 4.1832 988 975 957.
66 50 75 4.18 4.19 4.1864 988 975 953.
78 75 100 4.19 4.22 4.1936 975 958 921.
82 75 100 4.19 4.22 4.1984 975 958 919.
86 75 100 4.19 4.22 4.2032 975 958 916.
88 75 100 4.19 4.22 4.2056 975 958 915.
90 75 100 4.19 4.22 4.208 975 958 913.
98 75 100 4.19 4.22 4.2176 975 958 908.
92 75 100 4.19 4.22 4.2104 975 958 912.
96 75 100 4.19 4.22 4.2152 975 958 909.
Tiempo (min)T tanque (°C) ∆ T (°C) Cp ρ M en el tanque Q
0 30 0 4.188 986.2 231.757 0
3 40 10 4.204 982.6 230.911 9707.
6 58 18 4.1832 957.84 225.0924 16948.
9 66 8 4.1864 953.68 224.1148 7505.
12 66 0 4.1864 953.68 224.1148 0
15 78 12 4.1936 921.96 216.6606 10903.
18 82 4 4.1984 919.24 216.0214 3627.
21 86 4 4.2032 916.52 215.3822 3621.
24 88 2 4.2056 915.16 215.0626 1808.
27 90 2 4.208 913.8 214.743 1807.
30 92 2 4.2104 912.44 214.4234 1805.
33 96 4 4.2152 909.72 213.7842 3604.
36 98 2 4.2176 908.36 213.4646 1800.
39 98 0 4.2176 908.36 213.4646 0
42 98 0 4.2176 908.36 213.4646 0
45 100 2 4.22 958 225.13 1900.
48 100 0 4.22 958 225.13 0
51 100 0 4.22 958 225.13 0
54 100 0 4.22 958 225.13 0
RESULTADOS
Al graficar el tiempo contra la temperatura tomada a diferentes alturas y diámetro del tanque se
observa una tendencia curva donde, conforme avanza el tiempo la temperatura aumenta. Sin
embargo a partir del tiempo 35 min la temperatura permanece constante porque el tanque ha
llegado al equilibrio térmico.
El gráfico tiempo contra Temperatura del sensor tiene una tendencia más uniforme en comparación
con la anterior y ésta presenta un aumento continuo de la temperatura conforme aumenta el
tiempo. Entre el minuto 0 y el 27 se presenta un aumento de la temperatura lento, en los tiempos
consecuentes hay un aumento de temperatura mayor.
En la gráfica de calor contra tiempo no se observa tendencia alguna. Se ve que el calor aumenta y
disminuye bruscamente en los primeros 20 minutos, después de éste tiempo los cambios de calor
son menores, pero siguen sin mostrar una tendencia. Por otro lado, a partir del minuto 48 el calor
se reduce bruscamente y mantiene un valor constante de cero.
El coeficiente global de transferencia irá cambiando dependiendo del área de transferencia,
suponiendo un área de 1 m
2
el valor de U es 36. 9529
2
⁄ , y conforme aumente el área este
valor se irá reduciendo. Por otro lado, la velocidad de transferencia de calor obtenida fue de
y ésta se mantendrá siempre constante a lo largo de todo el tanque.
CUESTIONARIO
Los intercambiadores de calor de serpentín son empleados en varias aplicaciones industriales
debido a su estructura compacta y los elevados coeficientes de transferencia de calor que
usualmente se obtienen (Generatoris, 2019).
Enfriamiento de una corriente de acetona líquida.
En la industria de la hotelería, para uso de confort se usa como aire acondicionado o
procesos de deshumidificación.
Refrigeración de procesos.
Calentamiento y/o enfriamiento de agua en operación continúa. Por el serpentín se puede
hacer circular el fluido caliente, o bien el fluido frío.
Manipulación del flujo de los diferentes equipos, para realizar prácticas sobre el efecto en
el intercambio de calor y parámetros termodinámicos.
CONCLUSIÓN
A manera de conclusión podemos decir que los cálculos de transferencia de calor en el tanque
serpentín se cumplieron satisfactoriamente ya que se calculó un coeficiente global de trasferencia
razonable, respecto a los datos experimentales obtenidos. Como ya se dijo, el coeficiente de
transferencia irá aumentando conforme el área de transferencia aumente.
