BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGÍA. CALENTAMIENTO EN UN TANQUE AGITADO.

PRÁCTICA 1: BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGÍA.

CALENTAMIENTO EN UN TANQUE AGITADO.

OBJETIVOS

El principal objetivo de esta práctica es observar experimentalmente la evolución de la temperatura del fluido contenido en el tanque con el tiempo de calentamiento.

También se determinará el valor medio para el producto (UA), y se calculará el valor del coeficiente global de transmisión de calor.

Con el valor medio de (UA), se calculará la temperatura del fluido para cada tiempo experimental. Y se compararán los resultados experimentales con los calculados.

MATERIALES

Tanque agitado encamisado

Baño termostático

Agitador

Cronómetro

Termómetro

MÉTODO

Llenar el baño termostático con agua, y fijar la temperatura que se desee (TB) para el fluido que debe circular por la camisa.

Una vez que el agua del baño se encuentre a la temperatura deseada hacerla circular por la camisa para atemperar el tanque.

Llenar el tanque con el producto deseado, hasta que la camisa quede cubierta por este fluido. Previamente se habrá determinado su masa correspondiente.

Conectar la agitación con una velocidad fija que asegure la mezcla perfecta y no produzca un vórtice excesivo.

A intervalos de tiempo se mide la temperatura (T) del fluido que se halla en el interior del tanque y a la salida de la camisa.

DATOS EXPERIMENTALES

Tabla 1.Medidas de temperatura en agua y tanque obtenidas a distintos tiempos.

TIEMPO (s) TEMPERATURA LÍQUIDO (°C) TEMPERATURA BAÑO (°C)

0 21.4°C 58.7

60 27 60.2

120 34.4 59.9

180 39.9 60.2

240 44.2 60.6

300 47.8 60.5

360 50.5 60.1

420 52.4 60.1

480 54.1 61

540 55.3 60.6

600 56.2 60.5

660 56.8 60.6

720 57.4 60.8

780 57.8 60.5

840 58.2 60.9

900 58.4 60.7

960 58.5 60.8

1020 58.6 60.5

1080 58.7 60.6

PROCESAMIENTO DE DATOS

El cálculo del producto (UmA) se realizó por tres métodos que se detallan a continuación.

Método 1.

Determinando el área de intercambio de calor (área de la camisa) y utilizando los valores de Um facilitados por la casa del fabricante del reactor. En el presente caso el coeficiente global de transmisión de calor para el vidrio pyrex en un sistema de intercambio líquido-líquido con agua Um=0.930 kw/ (m2°C).

Diámetro de vaso utilizado (D): 10.5 cm

Altura del nivel del agua (h): 10.2 cm

Dado que: Área de intercambio de calor (A)=2πrh

A= 0.03365 m

Entonces:

Um A = [0.930 kw/ (m2°C)]*[0.03365 m]

Um A= 0.0312945 kw/ (m°C)

Método 2.

Como es difícil determinar con exactitud el área de intercambio de calor, se intentará estimar un valor medio del producto (UmA) para cada intervalo de tiempo considerado. Para ello, se supone que el caudal de calor transferido a través del área de intercambio es igual al necesario para que la temperatura del fluido del tanque ascienda desde T0 hasta un valor final Ti.

Si ti es el tiempo necesario para que la masa m del fluido contenido en el tanque incremente su temperatura desde T0 hasta Ti, el caudal de calor necesario para realizar esta operación será:

Q=m/t_i C_p (T_i-T_0 ) (1)

A pesar de que el coeficiente global U varía con la temperatura puede considerarse un valor medio para cada intervalo de temperatura del fluido del tanque. Se puede tomar como temperatura media Tm la media aritmética de las temperaturas inicial (T0) y final en cada intervalo (Ti): T_(m=) (T_0+T_i)/2. El caudal de calor transmitido a través de la superficie de intercambio puede expresarse según la ecuación:

Q=U_m A(T_B-T_m ) (2)

Al igualar las ecuaciones 1 y 2 es posible calcular el valor medio de (UmA):

U_m A=(mC_p)/t_i ((T_i-T_0))/((T_B-T_m)) (3)

En (3) m= 0.8 kg

Cp= 4.183 J/ kg.°C

T0= 21.4°C

Método 3.

Determinación empírica mediante un ajuste no lineal de los valores experimentales, o mediante un ajuste lineal utilizando la ecuación:

ln⁡((T_B-T_i)/(T_B-T_0 ))=-(UA/(mC_P ) t) (4)

Finalmente se procede a comparar las temperaturas experimentales con las teóricas, para ello se usa la siguiente ecuación:

T=T_B-(T_B-T_0 ) exp⁡(-UA/(mC_p ) t) (5)

RESULTADOS

Gráfico 1. Variación de la temperatura del fluido (H20) contenido en el tanque con el tiempo de almacenamiento.

Método 1.

Área de intercambio de calor (A)=2πrh

A= 0.03365

...