TRANSFERENCIA D CALOR

CURSO : laboratorio de operaciones unitarias III

PROFESOR:Ing. Williams Castillo Martnez

TEMA : Transferencia de Calor.Grupo : A1INTEGRANTES:Isique Valverde Marcelo.Perez Mejia Franklin.Sanchez Muoz Jhonson.Ventura Piminchumo NelsonCICLO:XI

Nuevo Chimbote, 3 de julio del 2012I. INTRODUCCIONLas leyes de transmisin de calor tienen primordial importancia en el diseo y funcionamiento de mltiples equipos como generadores de vapor, hornos, precalentadores, cambiadores, refrigeradores, evaporadores, condensadores, etc., en innumerables aplicaciones industriales.En muchos casos el objetivo principal es obtener las mximas velocidades de transmisin de calor por unidad de superficie, compatibles con los factores econmicos. En otros casos, como en los cambiadores, recuperadores y regeneradores, el objetivo es el aprovechamiento y recuperacin del calor. Finalmente, otras veces interesa hacer mnimas las prdidas de calor mediante aislamientos.Los mecanismos bsicos de transmisin de calor son conduccin, conveccin y radiacin. Sin embargo, en la mayora de los casos el calor se transmite simultneamente en varias de estas formas.

ConduccinSe define como la transferencia de calor debida a un diferencia de temperatura, sin desplazamiento apreciable de partculas. La conduccin implica la transferencia de energa cintica de una molcula a otra adyacente. Es el mecanismo principal de transmisin de calor en slidos y se estudia haciendo uso de la ecuacin general de conservacin de la energa.Conveccin La transmisin de calor por conveccin implica la transferencia de calor por mezcla de una parte del fluido con otra. El movimiento del fluido puede producirse por diferencia de densidades causadas por la diferencia de temperatura, como en la conveccin natural, o bien por medios mecnicos, como en la conveccin forzada. Es el mecanismo principal de transmisin de calor en fluidos, y para estudiarla se hace uso de leyes experimentales y analogas al no poder definir el estado turbulento.

RadiacinUn cuerpo emite energa radiante en todas las direcciones. Cuando esta energa alcanza a otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra puede ser transmitida a travs del cuerpo, y el resto es absorbida y transformada en calor. A temperatura elevada de transmisin de calor por radiacin es exclusiva del calor y difiere mucho de todas las formas materiales de transporte, especialmente en que no necesita la presencia de un medio material (de hecho necesita la ausencia de medio o que el medio sea transparente).

II. OBJETIVOS

Determinar la curva de penetracin de calor en un cuerpo de geometra cilndrica sumergido en un bao de agua caliente.

Determinacin del calor especfico y de la densidad del producto alimentario contenido en un bote cilndrico.

Clculo de la conductividad trmica del alimento a partir de las propiedades determinadas en los apartados anteriores.

Obtencin de los coeficientes globales de transmisin de calor, para un tanque agitado encamisado, de modo experimental. Estos resultados experimentales se compararn con los obtenidos tericamente. As mismo, se pretende estudiar la influencia del tipo de agitador y su velocidad de giro sobre el valor de los coeficientes globales de transmisin de calor.

III. FUNDAMENTO TEORICO

CALOR Y TEMPERATURA. La temperatura es una magnitud fsica que se refiere a la sensacin de fro o caliente al tocar alguna sustancia. En cambio el calor es una transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona ms fra y reduce la de la zona ms clida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta si no se realiza trabajo. La materia est formada por tomos o molculas que estn en constante movimiento, por lo tanto tienen energa de posicin o potencial y energa de movimiento o cintica. Los continuos choques entre los tomos o molculas transforman parte de la energa cintica en calor, cambiando la temperatura del cuerpo. CalorEl calor se define como la energa cintica total de todos los tomos o molculas de una sustancia.Temperatura. La temperatura es una medida de la energa cintica promedio de los tomos y molculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus tomos o molculas se mueven ms rpido y su temperatura se eleva, o viceversa. Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre s, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos fsicos: conduccin, conveccin y radiacin, que se ilustran en la figura 14.1.

A. CONDUCCION DE CALOR.La conduccin es el mecanismo de transferencia de calor en escala atmica a travs de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas, producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plsticos se llaman aislantes. La conduccin de calor slo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor x, con rea de seccin transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1, como se muestra en al figura 14.2, se encuentra que el calor Q transferido en un tiempo t fluye del extremo caliente al fro. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = Q/t, est dada por la ley de la conduccin de calor de Fourier.

Donde k (en W/mK) se llama conductividad trmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variacin de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conduccin de calor es en la direccin decreciente de la temperatura. En la tabla 14.1 se listan valores de conductividades trmicas para algunos materiales, los altos valores de conductividad de los metales indican que son los mejores conductores del calor.

Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su largo por un material aislante, como se muestra en la figura anterior, cuyos extremos de rea A estn en contacto trmico con fuentes de calor a temperaturas T1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio trmico, la temperatura a lo largo de la barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conduccin de calor de Fourier se puede escribir en la forma:

B. CONVECCION. La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulacin 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. Slo se produce en lquidos y gases donde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por conduccin y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmsfera por conveccin. Un modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el siguiente: Q = h A (TA T) Donde h se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2K), A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura 14.6. La tabla 14.2 lista algunos valores aproximados de coeficiente de conveccin h

El flujo de calor por conveccin es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de rea A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T).

C. RADIACIONLa radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos y transportada por ondas electromagnticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiacin electromagntica. La masa en reposo de un fotn (que significa luz) es idnticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotn viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotn se llama rayo). La radiacin electromagntica es una combinacin de campos elctricos y magnticos oscilantes y perpendiculares entre s, que se propagan a travs del espacio transportando energa de un lugar a otro.Todos los objetos emiten energa radiante, cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el Sol, la Tierra, la atmsfera, los Polos, las personas, etc. La energa radiada por el Sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las corrientes ocenicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc. Considerar la transferencia de radiacin por una superficie de rea A, que se encuentra a una temperatura T. La radiacin que emite la superficie, se produce a partir de la energa trmica de la materia limitada por la superficie. La rapidez a la cual se libera energa se llama potencia de radiacin H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan (Joseph Stefan, austriaco, 1835-1893), que se escribe como: Q= AT4

Donde = 5.67x10-8 W/(m2K4) se llama constante de Stefan-Boltzmann (Ludwing Boltzmann, austriaco, 1844-1906) y es una propiedad radiativa de la superficie llamada emistividad, sus valores varan en el rango 0 < < 1, es una medida de la eficiencia con que la superficie emite energa radiante, depende del material.Un cuerpo emite energa radiante con una rapidez, pero al mismo tiempo absorbe radiacin; si esto no ocurriera, el cuerpo en algn momento irradiara toda su energa y su temperatura llegara al cero absoluto. La energa que un cuerpo absorbe proviene de sus alrededores, los cuales tambin emiten energa radiante. Si un cuerpo se encuentra a temperatura T y el ambiente a una temperatura To, la energa neta ganada o perdida por segundo como resultado de la radiacin es:

Cuando el cuerpo est en equilibrio con los alrededores, irradia y absorbe la misma cantidad de energa, por lo tanto su temperatura permanece constante. Cuando el cuerpo est ms caliente que el ambiente, irradia ms energa de la que absorbe, y por lo tanto se enfra.COEFICIENTES DE TRANSMISIN DE CALOR EN UN TANQUE AGITADO

El calentamiento de alimentos fluidos es utilizado en diversas operaciones de su procesado. Este calentamiento se consigue, generalmente, poniendo en contacto el alimento con una pared caliente, la cual es calentada mediante un fluido caliente o por inyeccin directa con vapor. En algunos casos, como en la esterilizacin e inactivacin enzimtica, son necesarias altas velocidades de calentamiento, ya que con ello se evitan prdidas en la calidad y valor nutritivo de los productos acabados. En procesos discontinuos de calentamiento son muy utilizados los tanques agitados, con diferentes tipos de agitadores; utilizando camisas o serpentines sumergidos por los que circula el fluido calefactor.Para poder evaluar de forma adecuada la transmisin de calor es imprescindible conocer el valor de su coeficiente global, ya que ello permite conocer la velocidad de calentamiento. En un proceso discontinuo de calentamiento de alimentos en un tanque agitado, el coeficiente de transmisin de calor se calcula aplicando un balance energtico en dicho tanque.Se considera un tanque agitado encamisado, en el que un fluido caliente se hace circular a travs de su camisa, entrando a una temperatura Te y abandonndola a una temperatura Ts. El calor perdido por este fluido es transferido a travs del rea de intercambio hacia el fluido contenido en el tanque, el cual incrementa su temperatura de T0 a Tf .Para este sistema, se cumple que:

Calor cedido por el fluido calefactor: (8.)

Calor ganado por el fluido del tanque: (8.)donde:

calor especficoMmasa del alimento contenido en el tanque.ttiempo requerido para aumentar la temperatura.T0temperatura inicial del alimento.Tf temperatura final del alimento.wCcaudal msico del fluido calefactorLa primera ecuacin corresponde al calor cedido por el fluido caliente, mientras que la segunda sirve para evaluar el calor ganado por el alimento. La ecuacin de velocidad de transferencia de calor a travs del rea de intercambio ser:

(8.)Siendo:U: coeficiente global de transmisin de calor.A: rea de intercambio de calor.(T)mlincremento de temperaturas media logartmica.Este ltimo est definido por:

(8.)En el caso de que no existan prdidas de calor hacia el exterior, o que stas puedan considerarse despreciables:

con lo que:

(8.)Al analizar el mecanismo de transmisin de calor, la resistencia global a dicha transmisin, si se considera que no existen incrustaciones, puede desglosarse en tres factores. Uno de estos factores es debido a la resistencia ofrecida por el material de la pared, mientras que los otros dos son debidos a las resistencias a la transmisin de calor en cada fluido. Estas resistencias estn directamente relacionadas con la inversa de los coeficientes individuales de transmisin de calor.

(8.)Donde:eespesor de la pared de separacin de los dos fluidoskpconductividad del material de la pared del tanque.hccoeficiente individual o de pelcula del fluido caliente.hfcoeficiente individual o de pelcula del alimento.

La resistencia a la transmisin de calor ofrecida por la pared puede calcularse si se conoce el espesor de dicha pared y la conductividad trmica del material de que est construida.El coeficiente de pelcula para el fluido que circula por la camisa puede evaluarse considerando que dicho fluido circula por un anillo o corona anular, es decir, por el espacio anular entre el tanque y la camisa. Las ecuaciones utilizadas para el clculo de este coeficiente sern diferentes segn sea el rgimen de circulacin del fluido.

IV. MATERIALES Y METODOSMATERIALES: Bote de tomate triturado

Bao termosttico con agitador Data Trace e Interfase

Data Logger con sensores de temperatura

Sonda termomtrica

Picnmetro

Calormetro Termmetros

Vaso de precipitados

Erlenmeyer

Varilla agitadora

Embudo

Cronmetro

Tanque agitado encamisado con agitado

Bomba de impulsin

METODOLOGIA:Determinacin del coeficiente de transmisin de calor de un tanque agitado. Llenar el bao termosttico con agua fijando el termmetro de contacto de tal forma que permita que dicha agua alcance una temperatura de 80 C.

Una vez que el agua del bao se halle a esta temperatura conectar la bomba para que el fluido pueda circular por la camisa. Esperar 5 minutos y medir el caudal que atraviesa la camisa por pesada, con probeta y cronmetro.

Llenar el tanque con el producto deseado, justo hasta que toda la camisa quede cubierta por este fluido. Previamente se habr calculado la masa de fluido que se introduce en el tanque.

Hacer circular el fluido refrigerante por el condensador de la cabeza del tanque.

Conectar el agitador con una velocidad de giro de 100 r.p.m., determinada previamente con el tacmetro.

A intervalos de tiempo (cada 30 segundos) se toman las temperaturas del tanque y las de entrada y salida del fluido que circula por la camisa. Hasta que la temperatura del tanque se estabiliza.

Repetir la operacin para 150, 200 y 250 r.p.m..Cambiar el tipo de agitador y repetir todo el proceso.

V. RESULTADOSCALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIN DE CALOR EN UN TANQUE AGITADOSea el sistema tal como se muestra en la figura:

Ts

Tf

To=cte

Te=cte

T (C)=80

Para este sistema, se cumple que:

Calor cedido por el fluido calefactor: (8.)

Calor ganado por el fluido del tanque: (8.)Donde:

Calor especficoMmasa del alimento contenido en el tanque.ttiempo requerido para aumentar la temperatura.T0temperatura inicial del alimento.Tf temperatura final del alimento.wCcaudal msico del fluido calefactor

La primera ecuacin corresponde al calor cedido por el fluido caliente, mientras que la segunda sirve para evaluar el calor ganado por el alimento. La ecuacin de velocidad de transferencia de calor a travs del rea de intercambio ser:

Siendo:Ucoeficiente global de transmisin de calor.Area de intercambio de calor.(T)mlincremento de temperaturas media logartmica.

Este ltimo est definido por:

(8.)

En el caso de que no existan prdidas de calor hacia el exterior, o que stas puedan considerarse despreciables:

con lo que:

Se trabaj a tres diferentes concentraciones de soluciones azucaradas, estas fueron a 15%, 30% y 45%, para un volumen de 1550 ml.A. Para una concentracin de 15%

Tenemos que:

Clculos: MasaSabiendo que: C1=15%Volumen=1550ml

rea Sabiendo que: Dimetro =15.3cm=0.153m

Calor especifico

De la tabla 12.1 (Gua de prctica), se tiene que:Para una solucin azucarada con un rango de temperatura de 29 a 62C, el calor especfico es: 0.088 a 0.22.

Para nuestra prctica, tomaremos el promedio, as tenemos:

Temperatura media logartmica

La temperatura inicial de la solucin, as como la temperatura de entrada del fluido caliente sern constantes, mientras q la temperatura final de la solucin, as como la temperatura del fluido calefactor varan con el tiempo. Para calcular estas dos temperaturas ltimas, sacaremos un promedio, as tenemos:TRANSFERENCIA D CALOR

[Escribir texto]Pgina 27tiempo (min)TsalidaTfinal

078.586225.4786

0.576.72927.0497

176.331128.5597

1.576.286730.5317

276.43732.4848

2.576.447234.5069

376.646336.6688

3.576.715239.0311

476.808441.3409

4.576.915743.2477

577.047744.9106

5.577.124346.5263

677.215148.1514

6.577.264149.607

777.334151.0117

7.577.383352.4368

877.379753.7325

8.577.559254.9735

977.629856.2118

9.577.59157.311

1077.633458.3825

10.577.725559.3775

1177.785760.3863

11.577.842661.3024

1277.839162.1671

12.577.913863.0087

1377.92863.8181

13.577.988764.5706

1478.063865.3756

14.578.113866.0767

1578.138966.7397

15.578.189267.3763

1678.210767.9602

16.578.271868.5306

1778.26169.0961

17.578.286269.5943

1878.325870.0939

18.578.408870.562

1978.423371.0951

19.578.408871.5247

2078.46371.9227

20.578.481172.3036

2178.484772.6759

21.578.481173.0176

2278.5173.3656

22.578.553673.6597

2378.542773.9561

23.578.589874.2355

2478.604474.5138

24.578.618974.7713

2578.622575.0174

25.578.655375.2552

2678.629875.4646

26.578.647975.6583

2778.60875.8532

27.578.677176.0557

2878.691676.2425

28.578.728175.4062

2978.706276.5673

29.578.698976.7256

3078.771876.8672

PROMEDIO77.933761.31715

Siendo:Tsalida= temperatura de salida del fluido calefactor=77.9337C

Tfinal= temperatura final de la solucin azucarada=61.3172C

Datos tenemos que:

To= temperatura inicial de la solucin azucarada=25.4786CTe= temperatura de entrada del fluido calefactor=80C

Entonces, sabemos que:

Reemplazando:

Teniendo todos los datos, calculamos U:

B. Para una concentracin de 30%

Tenemos que:

Clculos: Masa

Sabiendo que: C1=30%Volumen=1550ml

rea Sabiendo que: Dimetro =15.3cm=0.153m

Calor especifico

De la tabla 12.1 (Gua de prctica), se tiene que:Para una solucin azucarada con un rango de temperatura de 29 a 62C, el calor especfico es: 0.088 a 0.22.

Para nuestra prctica, tomaremos el promedio, as tenemos:

Temperatura media logaritmica

La temperatura inicial de la solucin, as como la temperatura de entrada del fluido caliente sern constantes, mientras q la temperatura final de la solucin, as como la temperatura del fluido calefactor varan con el tiempo. Para calcular estas dos temperaturas ltimas, sacaremos un promedio, as tenemos:t (min)TsTf

078.257425.5511

0.576.749726.551

176.443827.5357

1.576.543229.4275

276.577631.5632

2.576.63633.642

376.777335.6117

3.576.912637.4362

476.915739.2645

4.577.002540.8619

577.089442.4657

5.577.253643.955

677.299145.4566

6.577.446545.8057

777.418346.8057

7.577.502848.1514

877.478151.1654

8.577.467653.9877

977.502855.2089

9.577.619356.4221

1077.64457.5327

10.577.725458.5964

1177.778659.6164

11.577.878160.594

1277.938761.4982

12.577.920962.3789

1377.967363.198

13.578.056663.9962

1478.095964.7556

14.578.124665.5297

1578.128166.2074

15.578.192766.8593

1678.26167.4815

16.578.245568.067

1778.307868.6056

17.578.31569.1574

1878.390769.6599

18.578.390770.1517

1978.41670.6059

19.578.484771.1248

2078.470371.5367

20.578.491971.9409

2178.578972.3067

21.578.535472.6604

2278.615273.0114

22.578.593573.3278

2378.655373.6279

23.578.666273.9145

2478.706274.1968

24.578.724474.4554

2578.738974.6864

25.578.749974.945

2678.804675.1592

26.578.768275.3813

2778.811975.5647

27.578.782775.7691

2878.848575.9509

28.578.859476.1269

2978.826676.2936

29.578.815676.4473

3078.852276.6051

PROMEDIO78.000860.4327

Siendo:Tsalida= temperatura de salida del fluido calefactor=78.0008 C

Tfinal= temperatura final de la solucin azucarada=60.4327C

Datos tenemos que:

To= temperatura inicial de la solucin azucarada=25.5511CTe= temperatura de entrada del fluido calefactor=80C

Entonces, sabemos que:

Reemplazando:

Teniendo todos los datos, calculamos U:

C. Para una concentracin de 45%

Tenemos que:

Clculos: Masa

Sabiendo que: C1=45%Volumen=1550ml

rea Sabiendo que: Dimetro =15.3cm=0.153m

Calor especifico

De la tabla 12.1 (Gua de prctica), se tiene que:Para una solucin azucarada con un rango de temperatura de 29 a 62C, el calor especfico es: 0.088 a 0.22.

Para nuestra prctica, tomaremos el promedio, as tenemos:

Temperatura media logaritmica

La temperatura inicial de la solucin, as como la temperatura de entrada del fluido caliente sern constantes, mientras q la temperatura final de la solucin, as como la temperatura del fluido calefactor varan con el tiempo. Para calcular estas dos temperaturas ltimas, sacaremos un promedio, as tenemos:

Siendo:Tsalida= temperatura de salida del fluido calefactor=77.9337C

Tfinal= temperatura final de la solucin azucarada=61.3172C

Datos tenemos que:

To= temperatura inicial de la solucin azucarada=25.4786CTe= temperatura de entrada del fluido calefactor=80C

Entonces, sabemos que:

Reemplazando:

Teniendo todos los datos, calculamos U:

VI. DISCUSIONES

En transferencia de calor por conduccin existe un gradiente de temperatura en una sustancia el calor puede fluir sin que tenga lugar un movimiento observable de la materia. En los slidos metlicos la conduccin de calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe una estrecha relacin entre la conductividad trmica y elctrica. En slidos que son malos conductores de la electricidad, y en la mayor parte de los lquidos, la conduccin de calor se debe al transporte de la cantidad de movimiento de las partculas individuales a lo largo del gradiente de temperatura.La conductividad trmica es mayor en la lata que en el pomo, una posible explicacin es que la energa trmica, o sea la energa transmitida a travs de la unidad de rea por unidad de tiempo no sea la misma en uno que en otra esto, debido a un gradiente de temperatura, entonces Esta forma implica que el proceso de transferencia de energa trmica es un proceso aleatorio. La energa no entra simplemente por un extremo de la muestra y prosigue directamente en trayectos rectilneos hacia el otro extremo, sino que se difunde a travs de la muestra sufriendo frecuentes colisiones. Este hecho hace que un factor importante en la conductividad sea el recorrido libre medio de una partcula entre colisiones.