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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