Medición de coeficientes de transferencia de calor con cambio de fase - marmita

INTRODUCCIÓN

Una gran mayoría de procesos químicos y biológicos requieren frecuentemente del uso de recipientes agitados, recipientes cilíndricos con propulsor en un eje e impulsado por un motor eléctrico. Con mucha frecuencia es necesario enfriar y calentar el contenido del recipiente durante la agitación. Esto suele hacerse en superficies de transferencia de calor, que pueden tener forma de chaquetas de enfriamiento o de calentamiento en las paredes o serpentines de tubería sumergidos en el líquido. En la chaqueta se utiliza el vapor y sufre cambio de fase ya que a la salida el vapor se condensa debido al intercambio de calor que se lleva a cabo en estos equipos.

El encamisado o enchaquetado en recipientes se utiliza con frecuencia para recipientes que necesitan limpieza frecuente o para los recubrimientos de vidrio que son difíciles de equipar con serpentines internos. La camisa elimina la necesidad de utilizar un serpentín.

En un recipiente encamisado en general se trata de mantener caliente al líquido que contiene el recipiente. Por lo general la resistencia controlante está del lado del líquido. En la chaqueta se sele usar vapor como medio calefactor. De ordinario se agita el recipiente para asegurar un buen intercambio sino hay agitación para las soluciones acuosas se puede asumir un h de 30 para diferencias de temperaturas entre 10 y 150 °F . para recipientes no agitados que contienen agua o soluciones acuosas  y se calientan o se enfrían con agua en la camisa es razonable asumir una U=30 (la U como la h en el sistema internacional inglés).

Una marmita es una olla de metal cubierta con una tapa que queda totalmente ajustada. Se utiliza generalmente para procesar alimentos nutritivos, mermeladas, jaleas, chocolate, dulces y confites, carnes, salsas, etc.

Esta elaborada de acero inoxidable 304, calibre 14 regularmente, tiene un sistema de calentamiento o enfriamiento y este es empleado de acuerdo al fin que se quiera. Por lo regular tiene una agitación de 40 r.p.m. aproximadamente (fig. 1).

Figura 1.Ventajas del uso de marmitas.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Conocer el mecanismo de operación y sus fundamentos de los intercambiadores con cambios de fase.

OBJETIVO PARTICULAR

Conocerá el manejo del equipo de chaqueta convencional ó marmita para enfriamiento y calentamiento de un fluido.

DIAGRAMA EXPERIMENTAL

Diagrama 1. Medición de coeficientes de transferencia de calor con cambio de fase

RESULTADOS

Tabla 1. Resultados experimentales de la etapa de calentamiento.

Temperatura inicial del agua: 24°C

Tiempo de calentamiento (min)	Temperatura del liquido en el interior de la  marmita (°C)	Presión de vapor (psi)	Temperatura del condensado(°C) se utilizó vapor	Flujo del condensado (L/s) se utilizó vapor
1	42	10	65	0.01074719
2	60	10		0.01074719
3	70	10	82	0.00857143
4	85	10	84	0.0052717
5	90	10	85	0.0052717

Tabla 2.Resultados  experimentales de la etapa de enfriamiento.

Tiempo de enfriamiento (min)	Temperatura del liquido en el interior de la  marmita (°C)	Presión de vapor (psi)	Temperatura del condensado (°C)	Flujo volumétrico (L/s)
1	85	10	36	0.25974026
2	80	10	36	0.05696757
3	75	10	38	0.27936508
4	74	10	40	0.36324786
5	72	10	36	0.5
6	70	10	32	0.5
7	65	10	32	0.5
8	63	10	31	0.05778302
9	61	10	30	0.05676856
10	59	10	29	0.05676856
11	57	10	28	0.05676856
12	54	10	27	0.05676856
13	53	10	No se pudo medir el flujo ya que se desconecto la manguera
14	51	10
15	49	10	26	0.06960557
16	47	10	26	0.05273834
17	46	10	25	0.06084071
18	45	10	24	0.06084071
19	44	10	24	0.06084071
20	43	10	24	0.06084071
21	42	10	24	0.06084071
22	41	10	23	0.06084071
23	41	10	23	0.06084071

Gráfica 1.  Etapa de calentamiento.

Gráfica 2.  Etapa de enfriamiento.

Gráfica 3.  Etapa de calentamiento teóricamente.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

La práctica llevada a cabo tuvo como propósito ver como es la transferencia de calor en un recipiente enchaquetado con agitación. El liquido con el que se experimento fue el agua, esta primeramente se calentó con vapor de agua con una presión de 10 psi, obteniendo así como se muestra en la tabla 1 de calentamiento de la misma;  con el aumento gradual de la temperatura la cual el proporcional al tiempo, hasta llegar a una temperatura de 90°C en 5 min, posteriormente se procede a enfriar el agua, mediante el paso de agua fría en la chaqueta, necesitando de 23 min para poder llegar a una temperatura de 40°C, se mantuvo constante la presión de vapor y la temperatura del condensado fue disminuyendo como se muestra en la tabla 2, los flujos de agua que fueron medidos nos ayudan a ver con que velocidad se realiza esa transferencia de calor.

En este tipo de intercambiadores se pasa por un proceso de cambio de fase y la razón de transferencia de calor se puede obtener con la rapidez de evaporización y la entalpía de vaporización a la temperatura o presión medidas. El equipo al tener un fluido común absorbe o libera gran cantidad de calor  a temperatura constante durante el proceso de cambio de fase.

La razón de capacidad calorífica de un fluido  durante un proceso, de este tipo debe tender a infinito, puesto que el cambio en la temperatura es prácticamente cero, de tal manera que la transferencia de calor es finita.

Acerca del funcionamiento del equipo con el cual se trabajo; la alimentación fría se hace pasar por el enchaquetado dando como resultado un intercambio con el producto liquido caliente, luego fluye hacia la unidad para llevar a cabo el enfriamiento. Para el calentamiento el vapor que se eleva no va hacia el condensador, sino que se envía a un compresor centrifugo o de desplazamiento positivo impulsado por un motor eléctrico o por vapor. Este vapor comprimido se envía de nuevo al intercambiador  de calor o caja de vapor. El   vapor comprimido se condensa  a una mayor temperatura que el punto de ebullición  del liquido caliente en el efecto, y se establece una diferencia de temperatura. De nuevo se genera vapor y el ciclo se repite.

En ocasiones es necesario agregar una pequeña cantidad de vapor de apoyo a la línea de vapor antes de compresor. Además de añadirse  una pequeña cantidad de condensado al vapor comprimido para eliminar cualquier sobrecalentamiento que pudiera haber.

Las unidades de recompresión de vapor generalmente operan con diferencias de temperaturas optimas  bajas de 5 a 10°C , por lo que se necesitan grandes áreas de transferencia de calor. Las ventaja equipo es  que son de bajo costo de energía.

El perfil de temperaturas nos muestra el comportamiento tanto en la etapa de enfriamiento como de calentamiento en donde si las comparamos con la grafica número 3 vemos que el condensado se mantiene a una temperatura constante y en el caso experimental este varia su temperatura de acuerdo con el tiempo, esto sucede en la grafica 1 y 2. Sin embargo podemos decir que el comportamiento obtenido experimentalmente es el esperado ya que no se mantuvo el flujo constante este vario, y por tanto variaba la temperatura a la cual salía.

En cuanto a la importancia de la evaporación  de varios materiales biológicos  suele diferir de la de los materiales orgánicos tales como son NaOH o NaCl  asi como de los materiales orgánicos como son el etanol o acido acético. Los materiales biológicos  como los productos farmacéuticos, la leche , los jugos cítricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor  y con frecuencia contienen  partículas muy finas suspendidas en solución. Además debido  a los problemas de crecimiento bacteriano, el equipo debe de diseñarse de tal manera que  pueda limpiarse con facilidad. Muchos materiales biológicos en solución presentan elevación del punto de ebullición muy baja al concentrarse. Esto se debe a los sólidos suspendidos  en forma de partículas muy finas y solutos disueltos de alto peso molecular, contribuyen muy poco a esta elevación.

El grado de degradación de los materiales biológicos durante la evaporación está en función de la temperatura y tiempo de procesamiento. Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al vacío , lo que reduce el punto de ebullición de disolución (tiempo de contacto) del material que se está evaporando.

Los jugos de frutas son otro ejemplo; los cuales son también sensibles al calor y su viscosidad aumenta notablemente al aumentar al concentrar la solución. Además de que la materia sólida en suspensión en los jugos tiende a adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que conducen a la carbonización  y deterioro del material. Es empleado nuevamente el vacío para reducir temperatura de evaporación.

CONCLUSIONES

Se conoció el mecanismo de operación y los fundamentos de los intercambiadores con cambio de fase, como el equipo utilizado llamado marmita. Se identificó el cambio de fase de un vapor de agua a un estado líquido a través de transferencia de calor por medio de dos líquidos a diferente temperatura y estado.

Se conoció el manejo adecuado de la marmita que es un equipo de chaqueta con agitación para el calentamiento y enfriamiento homogéneo de un fluido.

BIBLIOGRAFÍA

Consultada 21/11/11  a las 13:51 http://tools.professional.electrolux.com/Mirror/Doc/BR/BR_BR9JEDB_1_5_4_4_9JEDBE.pdf

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Yunus A. Cengel, Transferencia de calor y masa Editorial Mc GRAW – HILL México 2007 pp. 620-622

MEMORIA DE CÁLCULO

En cuanto a la determinación del coeficiente total de transferencia, el cálculo no fue realizado debido que para tener un resultado correcto necesitan tomarse en cuenta muchos parámetros como son el material, las entalpías, entre otros datos, que no se consideraron en la realización de la práctica, y si lo hiciéramos como en tubos concéntricos tendríamos errores muy grandes y un coeficiente erróneo y no lo podríamos comparar con algo teórico porque no se determina como debe de ser.