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TABLA DE CONTENIDO
1. Resumen………………………………………………………………………………..2
2. Introducción…………………………………………………………………………….3
3. Historia………………………………………………………………………………….4
4. Principios Teóricos…………………………………………………………………….5
5. Detalles Experimentales……………………………………………………………..11
6. Tabulación de Datos y Resultados………………………………………………….12
7. Discusión de Resultados……………………………………………………………..16
8. Conclusiones………………………………………………………………………….16
9. Recomendaciones……………………………………………………………………17
10. Referencias Bibliográficas…………………………………………………………...18
11. Apéndice….............................................................................................................19
1. RESUMEN
El presente informe trata del estudio experimental de la pérdida de calor en la superficie externa
de un Secador de Bandejas.
El sistema de análisis es estacionario, de flujo unidireccional, de un gas ideal, incompresible e
isoentrópico, aire húmedo a condiciones de laboratorio:
Temperatura bulbo seco = 210C; T bulbo húmedo = 18.50C y Presión = 755 mmHg
Para obtener dichas pérdidas se trabaja con un ventilador centrífugo que nos proporciona el flujo
de Aire Húmedo que ingresa al equipo, el cual es calentado antes del ingreso a la misma. Se
toman datos de temperaturas de ingreso, interno y de salida de dicho flujo, del mismo modo se
toma las temperaturas del medio cercano a las paredes del secador.
En el Secador de Bandejas, las pérdidas de calor teórico (balance de materia) fueron 555.17W,
siendo estas mayores a las pérdidas de calor experimental (convección libre) de 101.43W, en
base a un flujo de aire seco de 0.0515Kg/seg y una humedad absoluta de 0.0135Kg agua/Kg de
aire seco.
Las pérdidas de calor con respecto a el calor que tenía el fluido fueron de 12.03% para un
balance de energía y de 2.20 para convección libre.
2. INTRODUCCIÓN
En la industria química es común el uso de equipos donde exista una transferencia de
calor, los cuales pese a estar cubierto con material aislante pierden una cantidad de calor,
ocasionando mayores costos de operación y disminuyendo así su eficiencia.
Uno de estos equipos es el secador que por tener, un amplio uso en la Industria se
hace importante el Análisis de estas pérdidas.
Las temperaturas de las superficies de estos equipos pueden estar un tanto caliente
que por circulación del aire del medio ambiente ocasionan Pérdidas de Calor de manera
espontánea sobre estas superficies por Convección Natural.
Sin embargo, en secadores continuos; la determinación del flujo es importante ya que
permite la aplicación del Balance de Energía. La medición de este flujo se logra por un medidor
de tubo de Pitot.
De aquí que el objetivo de la práctica es la determinación de las Pérdidas de Calor de
un Secador de Bandejas, así como hallar el flujo de aire que por ella corre y los cambios que
originan la variación de este flujo.
3. HISTORIA
Se le denomina convección forzada aquella en que ocurre transferencia de calor en el
caso que se le induce artificialmente el movimiento (bomba o ventilador).
El Coeficiente Convectivo de Transferencia de Calor:
En 1701, más de 100 años antes que Fourier formulara la ley básica de conducción, Sir
Isaac Newton propuso la siguiente ecuación para predecir la razón de transferencia de calor
por convección, Q, de una superficie sólida hacia el fluido que lo rodea.
Q = hpromedio A (Tw – T0) (1)
En cuya expresión:
hpromedio = coeficiente convectivo promedio de transferencia de calor, Btu/h-pie2 ºF o bien
W/m2*K
A = área de la superficie para la transferencia de calor por convección, pies2 o M2.
Tw = temperatura de la superficie sólida, ºF o ºC
T0 = temperatura del fluido que se encuentra suficientemente lejos de la superficie sólida, tal
que no le afecta la temperatura de la superficie, ºF o bien ºC.
La ecuación (1) se puede rescribir para un área infinitesimal dA según
dQ = hdA (Tw – T0)
o bien:
q = (dQldA) = h(Tw – T0) (1-a)
El coeficiente convectivo de transferencia de calor, h, que aparece en la ecuación
anterior representa el valor local. A diferencia de la conductividad térmica de un material, el
coeficiente convectivo de transferencia de calor no es una propiedad. Su magnitud cambiará de
un problema a otro, aun cuando pueden estar involucrados el mismo sólido y el mismo fluido en
ambos problemas. El valor del coeficiente de transferencia de calor depende de una variedad
de factores, tales como velocidad, densidad, viscosidad, conductividad térmica, y calor
específico del fluido; geometría de la superficie; presencia de fuerzas de frotamiento; etc. Dicha
dependencia tan amplia, hace difícil llegar a una expresión analítica para el coeficiente de
transferencia de calor. Existen unos cuantos casos sencillos que permiten llegar a una solución
analítica. Sin embargo, para la gran mayoría de problemas de interés práctico, se confía con
demasiada frecuencia en la determinación experimental del coeficiente de transferencia de
calor, empleando análisis dimensional.
4. PRINCIPIOS TEÓRICOS
Métodos y procesos de secado:
Los métodos y procesos de secado se clasifican de diferente maneras; se dividen en
procesos de lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se
verifica por un período; o continuos, si el material se añade sin interrupción al equipo de
secado y se obtiene material seco con régimen continuo.
Los procesos se clasifican también de acuerdo con las condiciones físicas usadas para
adiciona r calor y extraer vapor de agua: en la primera categoría, el calor se añade por contacto
directo con aire caliente a presión atmosférica, y el vapor de agua formado se elimina por
medio del mismo aire; en el secado al vacío, la evaporación del agua se verifica con más
rapidez a presione bajas, y el calor se añade indirectamente por contacto con una pared
metálica o por radiación (también pueden usarse bajas temperaturas con vacío para ciertos
materiales que se decoloran o se descomponen a temperaturas altas); en la liofilización, el
agua se sublima directamente del material congelado.
Secado en bandejas; en el secador de bandejas, que también se llama de anaqueles,
de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser un sólido en forma de terrones o
una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de
profundidad. Un secador de bandejas típico, tal como se muestra en la figura , tiene bandejas
que se cargan y se descargan de un gabinete.
Un ventilador hace recircular aire caliente con vapor paralelamente sobre la superficie
de las bandejas. También se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo.
Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire
recirculado .
Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se reemplazan por otras con
más material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de las
bandejas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se
introducen al secador . Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las
carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador .
En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre bandejas cuyo
fondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho
permeable y se obtienen tiempos de secado más cortos, debido a la mayor área superficial
expuesta al aire.
Métodos de Transferencia de Calor:
Cuando existe una diferencia de temperatura en un cuerpo o entre cuerpos de
diferentes temperaturas, ocurre una transferencia de calor. Cuando existe una gradiente de
temperatura, en un medio estacionario, que puede ser un sólido o un fluido utilizamos el
termino conducción para referirnos a la transferencia de calor que se producirá a través delo
medio. En cambio, el termino convección se refiere a la transferencia de calor que ocurrirá
entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas. La
tercera manera de transferencia de calor se denomina radiación.
Conducción
A la medición de la palabra conducción debemos evocar de inmediato conceptos de
actividad atómica y molecular, pues hay procesos en estos niveles que sustentan este modo de
transferencia de calor. La conducción se considera como la transferencia de energía de las
partículas mas energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a las
interacciones entre las mismas.
El mecanismo físico de conducción se explica más fácilmente considerando un gas y usando
ideas que le sean familiares, propias de su experiencia en termodinámica.
Piense en un gas en el que existe un gradiente de temperatura y suponga que no hay
movimiento global. El gas puede ocupar el espacio entre dos superficies que se mantienen a
diferentes temperaturas, como se muestra en la figura 1. Asociamos la temperatura en
cualquier punto con la energía de las moléculas del gas en la proximidad del punto. Esta
energía está relacionada con el movimiento traslación aleatorio, así como en los movimientos
internos de rotación y vibración de las moléculas.
Las temperaturas más altas se asocian con las energías moleculares más altas y,
cuando las moléculas vecinas chocan, como lo hacen constantemente, debe ocurrir una
transferencia de energía de las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En
presencia de un gradiente de temperatura, la transferencia de energía por conducción debe
ocurrir entonces en la dirección de la temperatura decreciente. Esta transferencia es evidente
en la figura 1. Las moléculas, procedentes de arriba y de abajo, cruzan constantemente el
plano hipotético en X0 gracia a un movimiento aleatorio. Sin embargo, las moléculas de arriba
están asociadas a una temperatura mayor que la que tienen las de abajo, en cuyo caso debe
haber una transferencia neta de energía en la dirección positiva de X. Se habla de la
transferencia neta de energía debida al movimiento molecular aleatorio como una difusión de
energía.
Convección
La convección es un proceso de transporte de energía, por la acción combinada de
conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. Cuando el
movimiento de mezclado tiene lugar exclusivamente como resultado de la diferencia de
densidades causado por los gradientes de temperaturas se habla de convección natural o libre.
Cuando el movimiento de mezclado es inducido por algún agente externo, tal como una bomba
o un agitador el proceso se conoce como convección forzada
Convección libre
En la convección libre, el movimiento del fluido se debe a la fuerza de empuje dentro de
este, mientras que en la convección forzada se impone de forma externa. El empuje se debe a
la presencia combinada de un gradiente de densidad del fluido y de una fuerza de cuerpo que
es proporcional a la densidad. En la práctica, la fuerza de cuerpo normalmente es gravitacional,
aunque puede ser una fuerza centrifuga en una maquinaria de fluido giratoria o de una fuerza
de coriolis en movimiento atmosféricos y oceánicos rotacionales.
En la convección libre, donde la gradiente de densidad se debe a un gradiente de temperatura
y en donde la fuerza de cuerpo es gravitacional. Sin embargo, la presencia de un gradiente de
densidad de fluido en un campo gravitacional no asegura la existencia de corrientes de
convección libre.
Convección forzada
La convección forzada es cuando el flujo es causado por medios externos, como un
ventilador, una bomba o vientos atmosféricos. Como ejemplo considérese el uso de un
ventilador para proporcionar enfriamiento por aire mediante convección forzada de los
componentes eléctricos calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos
Radiación
La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una
temperatura finita. Aunque centraremos nuestra atención en la radiación de superficies sólidas,
esta radiación también puede provenir de líquidos y gases. Sin importar la forma de la materia,
la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o
moléculas constitutivos. La energía del campo de radiación es transportada por ondas
electromagnéticas. Mientras la transferencia de energía por conducción o por convección
requiere la presencia de un medio material, la radiación no lo precisa. De hecho, la
transferencia de radiación ocurre de manera más eficiente en el vacío.
El número de Nusselt:
En el estudio de transferencia de calor por convección, estamos interesados en determinar la
razón de transferencia de calor entre una superficie sólida y, un fluido adyacente, siempre que
exista una diferencia de temperatura. Considere un fluido que fluye sobre un cuerpo. Si la
temperatura de la superficie Tw y la temperatura del vapor es T0 , la temperatura del fluido
cercano a la frontera sólida variará de alguna forma como la que se ilustra en la figura 1.
Fig.1: Distribución de Temperatura en un fluido fluyendo cerca de una frontera sólida.
Podemos expresar la razón de transferencia de calor, Q, de la siguiente manera :
(1-2)
En cuya expression:
k = La conductividad térmica del fluido, Btu/h-pieºF o bien W/m K, evaluada en y = 0, esto es, la
interfase frontera sólida-fluido, y
= el valor del gradiente de temperatura en el fluido en y = 0. La coordenada y
se mide a lo largo de la normal a la superficie.
Si se combinan las ecuaciones (1-1) y (1-2), obtenemos:
(1-2.a)
O bien
Si se define una distancia sin dimensiones según = (y/Lc), en cuya expresión Lc es una
longitud característica, obtenemos :
(1-3)
O bien
(1-3.a)
Si se define una temperatura sin dimensiones, , según = ( T – To) / (Tw – To), la expresión
anterior se puede escribir como :
(1.3.b)
La cantidad (hLc / k) que aparece en la ecuación anterior es una cantidad sin
dimensiones, que recibe el nombre de número de Nusselt. El número de Nusselt es el
gradiente de temperatura sin dimensiones para el fluido, evaluado en la interfase pared-fluido.
Es costumbre expresar las correlaciones para transferencia de calor por convección forzada,
analítica o experimental, en términos de cantidades sin dimensiones tales como el número de
Nusselt y el número de Reynolds.
El número de Rayleigh:
La transición en una capa límite de convección libre depende de la magnitud relativa de las
fuerzas de empuje y viscosas en el fluido. Se acostumbra correlacionar su ocurrencia en
términos del número de Rayleigh, que es simplemente el producto de los números de Grashof y
Prandtl. Para placas verticales el número de Rayleigh crítico es:
Rax , c=Gr x , cPr=gβ (T s−T∞ )x3
να
El número Grashof:
El número de Grashof juega el mismo papel en la convección libre que le número de Reynolds
en la convección forzada. Este número indica la razón de las fuerzas de empuje viscosas que
actúan sobre el fluido.
GrL=gβ (T s−T∞ )L
uo2 ( uoLν )
2
=gβ(T s−T∞)L3
ν2
El número de Prandtl:
Este número nos indica la razón de las difusividades de momento y térmica.
Pr=Cp μk
= να
Difusividad Térmica:
Mide la capacidad de un material para conducir energía térmica en relación con su capacidad
para almacenar la energía térmica.
α= KρCp (m2
s )Coeficiente volumétrico de expansión térmica:
Esta propiedad termodinámica del fluido proporciona una medida de la cantidad por cual
cambia la densidad en respuesta a un cambio de temperatura a presión constante.
β=−1ρ (∂ ρ∂T )
P
Los efectos de convección libre dependen obviamente del coeficiente de expansión . Para un
gas ideal ρ= P
RT
β=−1ρ (∂P∂T )
P=1ρρ
RT 2= 1T
T es temperatura absoluta.
5. DETALLES EXPERIMENTALES
5.1. MATERIALES Y EQUIPOS
- Un secador de bandejas
- Calefacción eléctrica de 10 Kw
- Un equipo de Pitot para la medida de la velocidad de flujo de aire.
- 4 termómetros digitales
- 1 psicrómetro
- 1 cinta métrica
5.2. PROCEDIMIENTO
1. Se procede a encender el ventilador para proporcionar un determinado caudal al
secador.
2. Se activa el control automático de temperatura esperando que la temperatura
interna del secador se mantenga constante por un lapso de tiempo.
3. Luego de alcanzar las condiciones señaladas, se procede a tomar las
temperaturas a la entrada y salida del secador.
4. Así mismo, se toma la temperatura en la parte exterior de cada lado del secador y
luego se toma un promedio; la cual representa la temperatura del medio ambiente.
5. Se hace la operación para un solo caudal.
MÉTODO ITERATIVO
- Se asume una temperatura de la pared interna del secador (T1).
- Se calcula la temperatura de la película (Tf), y con ella se evalúa los números de
Reynolds y Prandlt.
- Conociendo estos valores se calcula el coeficiente de transferencia de calor por
convección forzada (h0).
- Se halla el calor cedido por el aire hacia la pared.
- De la ecuación (6) y reemplazando valores se halla (T4).
- Con el valor de T4, se calcula la temperatura de la película (Tf), y se evalúan los
números de Grashoft y Prandlt. Dependiendo de la posición de la placa se utiliza
la ecuación correspondiente para hallar el coeficiente de transferencia de calor por
convección natural (h¥).
- Se halla el calor perdido al medio ambiente a través de la placa y se compara con
el calor perdido por el aire hacia la pared interna. Si no son iguales asumir un
nuevo valor de T1 y repetir el procedimiento.
6. RESULTADOS Y DATOS EXPERIMENTALES
TABLA Nº1
Condiciones de laboratorio
Presión atmosférica (mmHg) = 757
Temperatura bulbo húmedo (°C) = 18.5
Temperatura bulbo seco (°C) = 21
TABLA Nº2
Características del secador
Característica
sMedidas
Largo
Altura
Ancho
152cm
92.5cm
62cm
TABLA Nº3
Datos experimentales de temperatura de las placas
Placa T(0C) Placa T(0C) Placa T(0C)
1 25.9 17 24.8 33 26.1
2 25 18 24.6 35 25.2
3 24.7 19 26.4 36 25.4
4 25.8 20 26.2 37 26.9
5 25 21 26.4 38 26.1
6 24.6 22 26.6 39 28
7 24.6 23 25.2 40 28.4
8 25.1 24 30.1 41 28.3
9 26.5 25 27 43 24.6
10 25.2 26 26.1 44 24.6
11 25 27 25.6 45 25.5
12 26.6 28 24.8 46 24.7
13 25.4 29 26.7 47 24.9
14 25.5 30 26.1 48 25.5
15 25.1 31 24.7 49 26.6
16 24.7 32 25.4 50 25.2
TABLA Nº4
Datos experimentales
Temperatura del aire húmedo a la entrada de la resistencia (0C) 21
Temperatura del aire húmedo a la salida de la resistencia (ºC) 50
Temperatura del aire húmedo en la entrada del secador 57
Temperatura del aire húmedo a la salida del secador 46
Temperatura del aire en reposo 19
TABLA Nº5
Propiedades termofísicas a Tf
Placas horizontales.
PLACA Tf (K) α.10-6(m2/K) ν.10-6(m2/K) K.10-3(W/mK) Pr Β (K-1)
31 294.85 21.82 15.43 25.89 0.71 0.0034
32 295.2 21.87 15.46 25.92 0.71 0.0034
33 295.55 21.91 15.49 25.94 0.71 0.0034
35 295.1 21.85 15.45 25.91 0.71 0.0034
36 295.2 21.87 15.46 25.92 0.71 0.0034
37 295.95 21.97 15.53 25.98 0.71 0.0034
43 294.8 21.81 15.43 25.88 0.71 0.0034
44 294.8 21.81 15.43 25.88 0.71 0.0034
45 295.25 21.87 15.47 25.92 0.71 0.0034
46 294.85 21.82 15.43 25.89 0.71 0.0034
47 294.95 21.83 15.44 25.90 0.71 0.0034
48 295.25 21.87 15.47 25.92 0.71 0.0034
49 295.8 21.95 15.52 25.96 0.71 0.0034
50 295.1 21.85 15.45 25.91 0.71 0.0034Placa vertical.
PLACA Tf (K) α.10-6(m2/K) ν.10-6(m2/K) K.10-3(W/mK) Pr Β (K-1)
1 295.45 21.90 15.49 25.94 0.71 0.0034
2 295 21.84 15.45 25.90 0.71 0.0034
3 294.85 21.82 15.43 25.89 0.71 0.0034
4 295.4 21.89 15.48 25.93 0.71 0.0034
5 295 21.84 15.45 25.90 0.71 0.0034
6 294.8 21.81 15.43 25.88 0.71 0.0034
7 294.8 21.81 15.43 25.88 0.71 0.0034
8 295.05 21.85 15.45 25.90 0.71 0.0034
9 295.75 21.94 15.51 25.96 0.71 0.0034
10 295.1 21.85 15.45 25.91 0.71 0.0034
11 295 21.84 15.45 25.90 0.71 0.0034
12 295.8 21.95 15.52 25.96 0.71 0.0034
13 295.2 21.87 15.46 25.92 0.71 0.0034
14 295.25 21.87 15.47 25.92 0.71 0.0034
15 295.05 21.85 15.45 25.90 0.71 0.0034
16 294.85 21.82 15.43 25.89 0.71 0.0034
17 294.9 21.83 15.44 25.89 0.71 0.0034
18 294.8 21.81 15.43 25.88 0.71 0.0034
19 295.7 21.93 15.51 25.96 0.71 0.0034
20 295.6 21.92 15.50 25.95 0.71 0.0034
21 295.7 21.93 15.51 25.96 0.71 0.0034
22 295.8 21.95 15.52 25.96 0.71 0.0034
23 295.1 21.85 15.45 25.91 0.71 0.0034
24 297.55 22.18 15.67 26.10 0.71 0.0034
25 296 21.97 15.53 25.98 0.71 0.0034
26 295.55 21.91 15.49 25.94 0.71 0.0034
27 295.3 21.88 15.47 25.92 0.71 0.0034
28 294.9 21.83 15.44 25.89 0.71 0.0034
29 295.85 21.95 15.52 25.97 0.71 0.0034
30 295.55 21.91 15.49 25.94 0.71 0.0034
38 295.55 21.91 15.49 25.94 0.71 0.0034
39 296.5 22.04 15.58 26.02 0.71 0.0034
40 296.7 22.06 15.60 26.04 0.71 0.0034
41 296.65 22.06 15.59 26.03 0.71 0.0034
TABLA Nº6
Resultados obtenidos
HORIZONTAL
PLACA L (m) RaL(10;5) NuL h (W/m2K) Qp (W)31 0.0764 2.51 12.19 4.13 2.2032 0.0764 2.81 12.51 4.24 2.5433 0.0764 3.10 12.81 4.35 2.8935 0.0764 2.72 12.42 4.21 2.4436 0.0764 2.81 12.51 4.24 2.5437 0.0764 3.42 13.12 4.46 3.2943 0.0764 2.47 12.14 4.11 2.1544 0.0764 2.47 12.14 4.11 2.1545 0.0764 2.85 12.56 4.26 2.5946 0.0764 2.51 12.19 4.13 2.2047 0.0764 2.60 12.29 4.16 2.3048 0.0764 2.85 12.56 4.26 2.5949 0.0764 3.30 13.00 4.42 3.1450 0.0764 2.72 12.42 4.21 2.44
∑= 35.45
VERTICALPLACA L (m) RaL(10;5) NuL h (W/m2K) Qp (W)
1 0.31 2.01 35.11 2.94 1.912 0.31 1.76 33.98 2.84 1.613 0.31 1.68 33.58 2.80 1.514 0.31 1.98 34.99 2.93 1.885 0.31 1.76 33.98 2.84 1.616 0.31 1.65 33.44 2.79 1.477 0.31 1.65 33.44 2.79 1.47
8 0.31 1.79 34.11 2.85 1.649 0.31 2.18 35.79 3.00 2.12
10 0.31 1.82 34.24 2.86 1.6711 0.31 1.76 33.98 2.84 1.6112 0.31 2.20 35.90 3.01 2.1513 0.31 1.87 34.50 2.88 1.7614 0.31 1.90 34.62 2.89 1.7915 0.31 1.79 34.11 2.85 1.6616 0.31 1.68 33.58 2.80 1.5217 0.31 1.70 33.71 2.82 1.5618 0.31 1.65 33.44 2.79 1.4919 0.31 2.15 35.68 2.99 2.0820 0.31 2.09 35.45 2.97 2.0121 0.31 2.15 35.68 2.99 2.0822 0.31 2.20 35.90 3.01 2.1523 0.31 1.82 34.24 2.86 1.6724 0.31 3.13 39.14 3.30 3.4525 0.31 2.31 36.33 3.04 2.3026 0.31 2.07 35.34 2.96 1.9827 0.31 1.93 34.74 2.91 1.8128 0.31 1.70 33.71 2.82 1.5429 0.31 2.23 36.01 3.02 2.1930 0.31 2.07 35.34 2.96 1.9838 0.31 2.07 35.34 2.96 2.0039 0.31 2.58 37.32 3.13 2.6940 0.31 2.69 37.69 3.17 2.8441 0.31 2.66 37.60 3.16 2.80
∑ 65.99
TABLA Nº7
Perdida de calor en el secador
Qpt (W) %calor perdidoConvección libre 101.43 2.20
Balance de energía
555.17 12.03
7. DISCUSION DE RESULTADOS
Las pérdidas de calor en el secador obtenidas por el balance de energía es de
555.13W y por convección libre es de 101.43W para el flujo mínimo; comparadas con
el calor entregado por la resistencia, valores relativamente bajos debido a la presencia
del aislante (asbesto).
La diferencia entre los valores del calor perdido por las paredes del secador obtenidos
por ambos métodos se debe posiblemente a que se tomaron mal los datos de
temperatura del aire a la entrada y salida del secador, así como la diferencia misma
entre el análisis hecho por ambos métodos; el cálculo de balance global representa la
diferencia entre la entrada y la salida, mientras que por convección libre se analiza la
transferencia por cada placa de pared del secador.
Una vez conocido el calor perdido de cada placa se puede conocer la temperatura
interna de las placas por conducción, conociendo las conductividades del material.
No se pudo determinar el coeficiente interno de transferencia ya que no se conoce
exactamente la temperatura del aire, varia de 57 a 460C.
8. CONCLUSIONES
Las pérdidas de calor obtenidos usando el balance de energía (555.17W) son mayores
que los encontrados por convección libre (101.43W). y en relación al calor contenido
por el fluido: 2.20% para convección libre; y 12.03% para un balance de energía.
Para calcular las pérdidas de calor en el secador influye el sentido en el que se
encuentran las paredes de la cámara (vertical u horizontal).
Las pérdidas de calor son inversamente proporcional al flujo de aire que circula en el
secador.
9. RECOMENDACIONES
Esperar un tiempo prudencial hasta que el sistema se estabilice para iniciar la toma de
datos.
Para tomar la temperatura externa de la pared se recomienda mantener el termómetro
digital de forma perpendicular y mantener en forma aislada a la corriente de aire, ya
que el aire del medio no está en total reposo y esto afecta las mediciones.
La mejor forma de obtener resultados más aproximados es si lo trabajamos por tramos,
partes, dividimos la pared en varios bloques y realizamos los cálculos para cada bloque
o placa, no es recomendable hacerlo para cada pared ya que se asume una
temperatura constante en toda la superficie y eso es incorrecto.
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
• Frank P. Incropera. “Fundamento de transmisión de calor”. PRENTICE HALL. 4Ta
Edición, México 1999. pag 499, 501.
• Ocon/ Tojo, “Problemas de In Química (operaciones básicas)”, Aguilar S.A ediciones,
3ra Edición, tomo I. España, 1974 pág.:217, 267.
• Perry J, “Chemical Engineering Handbook”, 7ta Edición, Mc Graw - Hill, New York
1999.
11. APENDICE
EJEMPLO DE CÁLCULOS
I. CALCULO DEL CALOR PERDIDO EN EL SECADOR
1.1. PARA LAS PLACAS VERTICALES
Ejemplo de cálculo para la placa No 1
L=0.304m
t∞=190C
H=0.310m
125.90C
Tenemos un caso de convección libre entre la superficie externa del secador y el aire
ambiente en reposo.
A) caculo del número de Rayleigh.
RaL=gβ (T s−T∞ )L3
υα
Para:
α=21 . 90×10−6m2 /sυ=15 . 49×10−6m2 /sK=25. 94×10−3W/mKβ=0 . 0034K−1
Pr=0 .7081L=H=0 .310m
RaL=( 9 .8m/s2) (0 .0034K−1) (6 .9K ) (0 .310m )3
(15 .49×10-6m2 /s ) (21 .90×10−6m2 /s )
RaL=2.02×107
B) caculo del número de nusselt.
Empleamos la ecuación propuesta por Churchill y Chu, para RaL ≤109
T f=T S−T∞
2=273+25 . 9+19
2→ T f=295 . 45K
N¿
uL=0 . 68+0. 67RaL
1/4
[1+ ( 0.492Pr )
9/16]4/9
N¿
uL=0 . 68+0.67×(1 .71×107)1/4
[1+ ( 0 .4920.7081)9 /16 ]4/9
N¿
uL=35 .14
C) cálculo del coeficiente de convección interna
h¿
s=K N
¿
uLH
h¿
s=25. 94×10 -3 W/mK×35. 14
0. 310m
h¿
s=2.9404W/m2K
D) cálculo del calor perdido por la placa
Q1=hs1 As1 (T s1−T∞ )Q1=2.9404×(0 .310×0. 304 )×(25 . 9-19)
Q1=1. 9120W
Se hace el mismo cálculo para todas las demás placas y obtenemos el calor perdido por
las placas verticales.
1.2. PARA LAS PLACAS HORIZONTALES
L=0.304m
t∞=190C
W=0.310m
3124.70C
Ejemplo de cálculo para la placa No 31
A) caculo del número de Rayleigh.
RaL=gβ (T s−T∞ )L3
υα
Para:
α=21 .82×10−6m2 /sυ=15 . 43×10−6m2 /sK=25. 89×10−3 W/mKβ=0 .0034K−1
Pr=0 .7083L=A/P=( 0. 304×0 .310 ) /2(0. 304+0 .310 )=0 .0767m
RaL=( 9 .8m/s2) (0 .0034K−1) (5 .7K ) (0. 0767m )3
(15 . 43×10-6m2 /s ) (21 . 82×10−6m2 /s )
RaL=2. 15×105
B) caculo del número de nusselt.
Empleamos la ecuación propuesta por Churchill y Chu, para RaL ≤109
N¿
uL=0 . 68+0. 67RaL
1/4
[1+ ( 0.492Pr )
9/16]4/9
N¿
uL=0 .68+0. 67×(2 .15×105 )1/4
[1+ ( 0 .4920.7083)9/16]4 /9
N¿
uL=11.75
C) cálculo del coeficiente de convección interna
T f=T S−T∞
2=273+24 . 7+19
2→ T f=294 . 85K
h¿
s=K N
¿
uLH
h¿
s=25. 94×10 -3 W/mK×11. 75
0 .0764m
h¿
s=4 .00W/m2K
D) cálculo del calor perdido por la placa
Q1=hs1 As1 (T s1−T∞ )Q1=4 .00×(0 .310×0 .304 )× (24 .7-19 )
Q1=2. 143W
Se hace el mismo cálculo para todas las demás placas y obtenemos el calor perdido por
las placas horizontales.
QPT=101.43W
E) porcentaje de calor perdido
%calor perdido=100×QPT
Q0
%calor perdido=100×101. 434616 . 46 → %calor perdido=2 .20%
II CÁLCULO DEL CALOR PERDIDO DEL AIRE
Para este cálculo empleamos la entalpia específica.
H Yi=(Cpg−Cpv×Y i )(T−T 0)+ λ0Y i
Cpg=calor especifico del gas (1. 005KJ/KgK )Cpv=calo respecifico del vapor (1. 845KJ/KgK )Y i=humedad adsoluta
λ0=calor latente de vaporizacion del agua (2502KJ/Kg )T 0=temperatura de referencia (0oC )
De la carta psicométrica: Tbseco = 21 oC
Tbhúmedo = 18.5 oC
Y=0.0135KgH2O
Kgaireseco
Esta concentración (humedad) se mantiene constante tanto en la entrada como en la
salida del secador.
H Yi=(1. 005-1. 845×0 .0135 )(Y i)+2502×Y i
2.1.- Entalpia especifica a la entrada del secador:
H Y1=(1 . 005-1 .845×0 . 0135)(57 )+2502×0 .0135
H Y1=89 . 64 KJ/Kgaireseco
2.2.- Entalpia especifica a la salida del secador:
H Y2=(1 . 005-1.845×0 . 0135)( 46)+2502×0 .0135
H Y1=78 .86 KJ/Kgaireseco
2.3.- Calculo del flujo másico
a) Densidad del aire húmedo (ρa.h.)
HA: humedad absoluta
Vh: volumen especifico
De la carta psicométrica: Tbseco = 21 oC
Tbhúmedo = 18.5 oC
Vh=0 . 83m3 aire humedoKgaireseco
HA=0.0135KgH2O
Kgaireseco
ρah=1+0 . 0135
0 .83=1 .2211
Kgairehumedo
m3
b) Fracciones másicas del aire seco (YA.S.) y del vapor de agua (Yagua)
c) Viscosidad del Aire húmedo (μa.h.)
1 μa.h
=Y agua
μagua
+Y aire seco
μaire seco
1 μa.h
= 0.0133
9 .93×10-6+ 0 . 987
1 .81×10-5 → μaire humedo=1 .8340×10−5 kg
m×s
d) Velocidad máxima del aire húmedo (Vmax)
Vmax=Cp √2×g×h( ρm−ρ)
ρ
Donde:
ρm : Densidad del líquido manométrico. (Aceite, 866 Kg/m3)
ρ: Densidad del Fluido. (Aire húmedo, 1.221Kg/m3)
g : Aceleración de la Gravedad.
h : Lectura del Manómetro Inclinado de Aceite (0.082 pulg aceite = 0.002082m aceite.)
Cp.: coeficiente de Pitot= 0,98
ρ=1+HAVh
Y agua=H . A .1+H . A .
=0 .01351+0 . 0135
→ Yagua=0. 0133
Y aire seco=1−Y agua=1−0 . 0133 → Y aireseco=0. 9867
Calculo de la velocidad puntual para la Frecuencia= 24 Hz .Para r = 0cm
Vmax=0 .98×√2×9 . 8×0 . 002082×(866−1 . 2211)
1. 2211=5 . 27m/s
Vmax=5. 27m/s
e) Número de Reynolds Máximo (Remax)
Remáx=ρDVmaxμah
Donde:
µah = viscosidad del aire húmedo (1.8340x10-5Kg/ms)
D=Diámetro del tubo pitot. (0.1130m)
Reemplazando los datos, para una frecuencia de 24Hz tenemos a los siguientes:
Remáx=1 .2211×0 . 1130×26 .02
1 .8340×10−5
Re máx. = 3.96x104
f) Velocidad Media (
V¿
)
Con este dato interceptamos en la grafica (V/Vmax) vs Remax y obtenemos:
V¿
Vmax=0,81
→ V¿
=4 .27 m/s
g) Flujo másico del Aire húmedo
m.
=V¿
×A×ρah=V¿
×πD2
4×ρah
m.
=4 .27×π (0 .1130 )2
4×1. 2211
→ m.
ah=0 .0523Kg airehumedo/seg
h) Flujo másico del Aire seco
m.
as=m.
ah×1
1+Y
m.
as=0. 0523× 11+0. 0135 → m
.
as=0 .0515Kg aireseco/seg
2.4 Calculo delcalor perdido del aire
Qp=m.
as(H Y1−H Y2)
QP=0 .0515Kgs
×( 89.64−78 .86 ) KJKg → QP=5 55. 1 7W
III) CALOR ENTRANTE DE AIRE
Q0=m.
as(H Y1)
Qo=0 . 0515Kgs
(89 .64 ) KJKg → Q0=4616. 46W
IV) PORCENTAJE DE CALOR PERDIDO
%calor perdido=100×QP
Q0
%calor perdido=100×555. 1746 . 16 . 46 → %calor perdido=12 .03 %
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN
MARCOS
(Universidad del Perú, decana de
América)
FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA
E.A.P DE INGENIERÍA QUÍMICA (0.72)
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE OPERACIONES
UNITARIAS
Laboratorio de ingeniería química I
TITULO DE LA PRÁCTICA:
Determinación de la pérdida de calor en un secador de bandejas.
PROFESOR:
Ing. Eustedio Teófilo Meneses Solís
ALUMNOS:
Reynaldi Jiménez, Cristian 06070113
Saccsa tacas, Cesar 07070094
xxxx, yonathan 06070
TURNO:
Lunes de 8:00am-2:00pm
FECHA DE REALIZACIÓN: 7/11/2011
FECHA DE ENTREGA: 28/11/2011
