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EVAPORADORES María Claudia Romero, Natalia Ballesteros, Julián Vargas Echeverry Objetivo general ∫ Aplicar, analizar y comprobar experimentalmente los principios fundamentales de transferencia de calor en un evaporador de un solo efecto y de doble efecto, y comprender su funcionamiento básico. Objetivos específicos ∫ ∫ ∫ ∫ Determinar el coeficiente total de transferencia de calor del intercambiador de calor de cada uno de los evaporadores. Comparar las capacidades y las economías de los evaporadores de uno y dos efectos. Identificar las variables más importantes del sistema y comprender los modelos matemáticos y ecuaciones que permiten hacer cálculos de evaporadores. Comparar las eficiencias para evaporadores en uno y dos efectos. Resumen La evaporación es uno de los principales ejemplos de transferencia de calor por lo que en su estudio es muy importante comprender todos los fenómenos físicos involucrados y por lo general se usa en los procesos químicos de la industria. Su principal objetivo es concentrar una solución que suele ser aguaacuosa, eliminando vapor que se forma al hervirlo para descartar el agua¿?. Hay operaciones en las que el vapor es el producto principal, pero por el contrario, es habitual encontrar ejemplos como la concentración de jugo de caña, la glicerina o con leche. Es obvio que en estos ejemplos la solución concentrada es el producto deseado ó de intereses, mientras que el vapor generado se descarta. La evaporación debe tener en cuenta algunos factores importantes relacionados con las propiedades físicas y químicas de la solución que se está tratando concentrar, así como las características más importantes de un evaporador son la capacidad y la economía. Abstract Evaporation is one of the main examples to heat transfer so its study is very important to understand all the physical phenomena involved and usually it's used in the chemical processes industry¿? No se dice lo que se pretende. Its main objective is concentrate a solution which is usually water¿?, removing the steam formed by boiling to dispose of the water¿?. There are operations where the steam is the prime product; but on the other hand, It’s usual to find examples like the concentration of cane juice, glycerin or milk. It's obvious in these examples that the concentrated solution is the product of interest or desired, while the steam generated is discarded. The evaporation ought to take into account some important factors related to physical and chemical properties of the solution who it's trying to make more concentrated as well as the most important characteristics of an evaporator are the ability and the economy. Keywords: Heat exchanger, evaporator, concentration, steam, economy. Datos Experimentales Temperatura del agua de alimentación 26.67oC Presión del laboratorio 86.2kPa ∫ Para un efecto Variable PLab(mmHg) P2 (psig) T2 (°F) R2 (mL/s) Mv2 (mL/s) R2 (mL/s) Mv2 (mL/s) ¿Ms? Valor leído 646.55 1 204 0 2.828 0 2.828 Nota: los valores de Mv1, Mv2 y Ms fueron obtenidos haciendo un promedio de 5 muestras tomadas, además para el efecto doble las temperaturas de ellos fueron 123.8°F, 114.8°F y 95°F respectivamente. ¿Temperaturas de los condensados para un efecto? ∫ Para dos efectos Variable Valor leído PLab(mmHg) 646.55 P1 (psig) 6 P2 (psig) 2 210 T1 (°F) 204 T2 (°F) R1 (mL/s) 0 R2 (mL/s) 0 Mv1 (mL/s) 5.9835 Mv2 (mL/s) 3.4185 Ms (mL/s) 2.5321 S1 (cm) 1.5 S2 (cm) 0.8 ms= flujo de condensación del vapor vivo saturado a presión P2= 4.076x10-3 kg/s. ¿Qué densidad usaron? mv= flujo de generación de vapor de la solución= 2.819 x10-3 kg/s. ¿Qué densidad usaron? Modelo de Cálculo y Resultados ∫ Para un efecto 1. Estimar ambiente: el calor perdido = m − m − m C (T − T ) Donde: al mf= flujo de alimentación de agua (rotámetro), si no hay escape de agua entonces mf = mv= 2.819 x10-3 kg/s. = calor latente de condensación del vapor vivo saturado a P2=2409.77kJ/kg.NO TUVIERON EN CUENTA LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA ☺ = calor latente de vaporización del agua a la Patm (se considera que el equipo funciona a Patm)=2257kJ/kg Cpf= calor específico de la solución diluida (para nuestro caso agua)=4.18 kJ/kgK ¿Leída a qué T? Teb= Temperatura de ebullición de la solución (agua) a la Patm=100ºC Esta no es la T de ebullición en Medellín. Además, esta es la T que se lee en el tanque Tf = T2. Temperatura de agua fría alimentada al tanque S2= 95.56 ºC Esta T es 26.2°C vapor vivo saturado a P2= 15.696psi. ¿? TS=217.65ºF=103.14ºC. 4. Cálculo de la capacidad de evaporación por unidad de área de transferencia de calor. = 5. Cálculo del consumo de vapor !" #$%& = 1. Cálculo de la economía de un solo efecto (evaporador 2): ∫ m = m mv λv + m f Cp f (Teb − T f ) A(Ts − T f ) Un: Coeficiente de transferencia de calor para la transferencia neta. 3. Estimación del coeficiente total teórico de transferencia de calor: 1. Cálculo de la economía para el evaporador de doble efecto: * = m + m * m Donde: mv1: flujo de vapor generado en un solo efecto mv2: flujo de vapor en el doble efecto ms: flujo de condensado de vapor vivo 2. Cálculo de la capacidad evaporación por unidad de área: * = m = ( − ) Donde: U: Coeficiente total teórico de transferencia de calor. ☺A: Área de transferencia de calor para los 37 tubos de diámetro interior= 1.27cm, espesor=0.13cm y longitud= 1.448m. (A)= 2.356m2 (Ts - Tf): es la diferencia global de temperatura, donde Ts es la temperatura del '1 )1 Para dos efectos: 2. Estimación del coeficiente total de transferencia de calor Un: Un = m m + m * * Resultados: 1. Para un solo efecto: a) Calor perdido al ambiente: = (4.076x10 − 3) kg 2409.77kJ ∗ s kg de kg kJ kg ∗ 2257 − (2.819 x10 − 3) s kg s kJ ∗ 4.18 (100 − 95.56)K kgK − (2.819 x10 − 3) = 3.407kJ/s Problemas con el lambdas, con la temperatura de alimentación. Ojo con los exponentes 10-3 es muy distinto de 10-3 b) Economía: ☺ m 2.819 x10 − 3 kg/s = = m 4.076x10 − 3 kg/s kg vapor generado = 0.6917 kg vapor vivo c) Estimación del coeficiente total de transferencia de calor Un: Un = (2.819 x10 - 3) kg/s * 2257kJ/kg + 2.356m2(103.14 − 95.56 )º C (2.819x10- 3) kg/s* 4.18kJ/kgK(100 − 95.56)º C 2.356m2(103.14− 95.56)º C El cálculo está mal ¿qué ecuación se usó?G = 0.359 HI ∗JK∗ºL d) Estimación del coeficiente total teórico de transferencia de calor: kg 4.076x10 − 3 s ∗ 2409.77kJ/kg = 2.356m2(103.14 − 95.56)ºC Problemas con el lambda y con las temperaturas = 0.550 HI ∗JK∗ºL e) Capacidad de evaporación por unidad de área: m = = K.MNO PNQRS HT/ K.SUV J* * = 1.196x10 − 3 kg/s ∗ m f) Consumo de vapor: consumo de vapor = '1 )1 consumo de vapor = N.NOVPNQRS HT/∗J* Q.VONY ∫ Para dos efectos: g) Economía: * = =1.73x10RS kg/s ∗ m* m + m * m (5.9835 + 3.4185)mL s = 3.7131 * = mL 2.5321 s Ojo: calcular la economía con los flujos volumétricos en lugar de los flujos másicos involucra cierto grado de error, debido a que estrictamente hablando la densidad no es la misma. En este caso el error no es muy significativo debido a que las temperaturas de los diferentes condensados son muy similares. h) Capacidad de evaporación por unidad de área: * = m + m * * Las unidades no corresponden a las dadas en la definición de capacidad. (5.9835 + 3.4185)mL s * = *(2.356 m* ) mL = , 9953 * m Análisis de Resultados Para un efecto simple el calor perdido al ambiente es muy representativo comparado con la energía que entra con el vapor vivo de donde se deduce que este arreglo es poco eficiente y la economía es muy baja ya que se produce menos de 1 Kilogramo de vapor por cada Kilogramo de vapor vivo. En el efecto doble se ve que la economía es mayor que en el efecto simple lo que valida la hipótesis de que es aprovechado mejor la corriente de vapor vivo y de vapor producido en un sistema con más de un efecto. Todas las corrientes líquidas y de vapor se encuentran en estado de saturación cuando el sistema está trabajando en estado estable. Por lo tanto las entalpías son las de agua líquida o vapor saturados; La densidad el agua tiene una pequeña variación con respecto a la temperatura sin embargo se usa un promedio que es adecuado a en este caso. Las variaciones en la presión del vapor producido por la caldera provocan cambios en las propiedades del vapor vivo que afectaran el resto de las cantidades medidas y produce inestabilidad en el sistema. El agua de alimentación idealmente debería entrar a la temperatura ambiente, pero esta agua es acumulada en un tanque de alimentación que está en contacto con el vapor producido haciendo que esta se caliente y en consecuencia incrementa la temperatura de la corriente de alimentación, lo que resulta beneficioso ya que el equipo requiere menos vapor para elevar la temperatura del agua hasta su punto de ebullición dentro de los tubos haciendo más eficiente la evaporación y el gasto energético menor. Idealmente ambos evaporadores serían iguales sin embargo existen ciertas diferencias tales como la cantidad de sólidos depositados, pequeñas diferencias en la dimensiones las cuales hacen que el coeficiente global de transferencia U sea distinto. Impacto Ambiental y Costos de Operación En la operación de este intercambiador se altera la temperatura del ambiente circundante, lo que generar condiciones de operación menos adecuadas para las personas que lo manipulan, las fugas presentes en las redes de tuberías del dispositivo generan desperdicio de agua. El consumo energético es uno de los factores de impacto ambiental y costos de operación que requieren más cuidado, el consumo energético de este equipo está estrechamente relacionado al consumo y eficiencia energética de la caldera que lo alimenta, la cual trabaja por combustión de un hidrocarburo, produciendo contaminación por descargas de gases de efecto invernadero al ambiente. Aspectos de Seguridad Para la operación de este dispositivo es muy importante contar con unos guantes, ya algunas superficies se calientan, por lo que es de suma importancia recorrer el equipo con cuidado y tener presente que el intercambiador de calor de tubos y coraza se debe purgar antes de iniciar la operación. Causas de Error Ya que el equipo no cuenta con dispositivos de medición de los flujos de salida del equipo, se tiene que recurrir al método de balde-cronometro cronómetro el cual depende mucho de la percepción y pericia de la persona que lo está operando, convirtiéndose Bibliografía ∫ esto en un factor de error significativo. Los errores propios del equipo, se debe a la falta de mantenimiento ya que no permite su ∫ optima óptima operación, las incrustaciones en los tanques y las tuberías del equipo producen una mayor resistencia térmica y mayores pérdidas fricciónales respectivamente. Además algunos de los dispositivos de medición de flujo y presión no ∫ INCROPERA, Frank P y DEWITT David, “Fundamentos de transferencia de calor”, 4° edición, Editorial Wiley, 1996, EUA. D. Kern, Procesos de transferencia de calor. Primera edición. McGraw- Hill Company. New York. 1965 Smith, J.M., Van Ness, H.C. y Abott M.M. Introducción a la termodinámica para ingeniería química. Mc Graw Hill. México. 1997. están operando adecuadamente causando lecturas erróneas. EVAPORADORES Ítem evaluado Observaciones % Nota informe Objetivos e introducción Los objetivos difieren de los dados en la guía. No hay introducción 2,5 10 Abstract y palabras clave Palabras claves bien. El abstract no corresponde al resumen. Se mencionan sólo conceptos y no se dice nada en relación al informe 3,0 7 5,0 7 5,0 2,0 12 17 Bien. Hay aspectos que no se tocan: no se comparan los U ni las capacidades No hay A lo largo del informe no se especifica el uso de la bibliografía. 4,0 22 1,0 4,0 12 7 Ojo con la redacción y con el uso de los exponentes en la notación científica 4,5 6 Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el preinforme Cálculo Modelo Resultados Tabulados Discusión y análisis Conclusiones Bibliografía Presentación del informe NOTA FINAL Bien Bien Hay problemas en la mayoría de los cálculos 3,3