RE-10-LAB-121 OPERACIONES UNITARIAS I v8

GUÍA DE PRÁCTICA OPERACIONES UNITARIAS I
Código de registro: RE-10-LAB-121 Versión 8.0

UNIVERSIDAD DEL VALLE
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
Práctica No. 1
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS EN TUBERÍAS
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.-
Según la teoría, en hidráulica de tuberías, el Número de Reynolds está definido como un

número adimensional que cuantifica la preponderancia de las fuerzas de inercia frente a
las fuerzas viscosas que se oponen al movimiento de un fluido.
Cuando el número de Reynolds es menor a 2100 para una tubería circular recta, el flujo
siempre es laminar. Cuando el valor es superior a 4000, el flujo será turbulento excepto
en algunos casos especiales. Entre estos dos valores o región de transición, el flujo puede
ser viscoso o turbulento, dependiendo de los detalles del sistema que no se pueden
predecir.
Fig. 1. Flujo laminar y flujo turbulento
El Número de Reynolds está definido por la siguiente relación:
V d
Re =

Dónde:
V: Velocidad media.
d : Longitud característica del sistema, en el caso de flujo a presión en tuberías
representa el diámetro interno del conducto.
 : Viscosidad cinemática del fluido, dependiente de la temperatura.
El valor del Número de Reynolds se utiliza para identificar tres estados muy importantes:
• Laminar.
• Crítico o en transición.
• Turbulento.
1
En flujo laminar las partículas fluidas se mueven en trayectorias paralelas, formando el

conjunto de ellas capas o láminas. Siendo la velocidad de las capas adyacentes de fluido
de distinta magnitud. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona las tensiones
cortantes con la velocidad de deformación angular.
El flujo en transición es aquel donde toda turbulencia es amortiguada por la acción de la
viscosidad del fluido.
En flujo turbulento las partículas del fluido se mueven en forma desordenada en todas
direcciones, es prácticamente imposible conocer la trayectoria individual que sigue cada
partícula
Fig. 2. Comportamiento del líquido a diferentes velocidades
2. COMPETENCIAS.-
Describe el comportamiento del movimiento de un fluido en un conducto, para la

identificación del régimen en el que se encuentra, a través de la observación del proceso
de mezcla de un chorro de tinta introducido durante el flujo del fluido y el cálculo del
número de Reynolds.
3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS.-
MATERIALES Y EQUIPOS
Ítem Denominación Cantidad Unidad Observaciones
Equipo de medición del número de Todos los equipos y
1 1 Pza
Reynolds materiales se utilizan
2 Depósito de fluido 1 Pza para un máximo de 15
3 1 Pza estudiantes
Recipiente contenedor de tinte
2
4 Tubería de descarga 1 Pza

5 Cronómetro 1 Pza
6 Termómetro (0-100 ⁰C) 1 Pza
7 Flexómetro 1 Pza
8 Calibrador Vernier 1 Pza
9 Mangueras de conexión 10 mt
10 Baldes de 10 L 3 Pzas
11 Probeta x 1000 mL 1 Pza
INSUMOS
1 Agua de grifo 100 L
Todos los insumos se
2 Tinte de color 10 ml utilizan para un máximo
de 15 alumnos
3 Material de limpieza
Grafica que se utiliza en la práctica donde se indica las partes de que consta:
1. Válvula de entrada
2. Depósitos de fluido. Las dos cámaras tienen la función de mantener la carga constante
sobre la entrada de agua en la tubería transparente.
3. Recipiente contenedor de tinte y tubo inyector.
4. Salidas reguladoras de Fluido.
5. Tubería transparente, en la cual se puede apreciar las características del flujo.
6. Válvula de control reguladora, determinará el caudal en la salida.
3
7. Tubería de descarga.
8. Recipiente aforador.
4. TECNICA Ó PROCEDIMIENTO.-
Consiste en reproducir en laboratorio la ocurrencia de flujo laminar, transicional y

turbulento.
La determinación de alguno de ellos se efectuará visualmente, observando las trayectorias
de partículas colorantes inyectadas en el agua clara.
Paso 1) Familiarizarse con la descripción y la instalación del experimento.

Paso 2) Medir el diámetro externo de la tubería transparente y las dimensiones
del recipiente aforador. Como dato considerar 0,5 mm de espesor para
la tubería.
Paso 3) Medir la temperatura del agua y controlar permanentemente el nivel
de agua no varíe.
Paso 4) Abrir la llave de entrada para llenar el tanque de agua, mientras la
válvula de control debe permanecer cerrada
Paso 5) Una vez llenado el tanque de agua, abrir la válvula de control, de modo
que el caudal se incremente.
Paso 6) Dejar pasar la tinta por el tubo.
Paso 7) Regular la velocidad de movimiento en el tubo mediante la llave, de tal
manera que el chorro coloreado ocupe una posición estable en el
centro del tubo (crear unas velocidades de movimiento muy pequeñas
de líquido en el tubo). La posición estable del chorro claramente
pintado en el centro del tubo corresponde a flujo de régimen laminar.
4
Paso 8) Medir el caudal mediante el método volumétrico. Este método consiste

en determinar el volumen del recipiente de aforo y el tiempo de llenado.
Para ello se debe medir el tiempo mediante un cronometro hasta un
nivel predeterminado en el recipiente. Luego calcular el volumen de
agua almacenada y deducir el caudal mediante:
Vol
Q=
t
Dónde:
Vol = Volumen de recipiente
T = t = Tiempo transcurrido para el llenado del recipiente
Repetir este paso el número de veces necesarias de manera que
se pueda desarrollar un tratamiento de errores.
Paso 9) Observar a través de la tubería de vidrio el patrón de flujo instalado,

realizando para ello, las anotaciones y observaciones pertinentes.
Realizar 3 mediciones para distintas aperturas de la válvula de control,

Paso 10) de acuerdo a la sugerencia del docente.
Registrar las mediciones en forma ordenada, acompañar los cálculos intermedios que
fundamenten el resultado final. Se tiene a disposición planillas ejemplo para la compilación
de datos.
5. TIEMPO DE DURACIÓN DE LA PRÁCTICA.-
La práctica tiene una duración de 100minutos
6. MEDICIÓN, CALCULOS Y GRÁFICOS.-
En el transcurso de la práctica y al final de esta, el alumno deberá tomar nota de todos

los aspectos que considere necesario.
Se recomienda utilizar la siguiente planilla de datos.
Magnitud física Valor 1 Valor 2 Valor 3
Tiempo de llenado del aforo t

(s)
5
Volumen de agua recolectada

cm3
Caudal de agua Q (cm3/s)
Velocidad media V (cm/s)
Temperatura del agua T (ºC)
Viscosidad cinemática 𝑣
(cm2/s)
Diámetro de la tubería D (cm)
Número de Reynolds Re
Tipo de régimen laminar o

turbulento
Esta planilla de registro de datos debe ser entregada en fotocopia el mismo día de su
realización en laboratorio.
Calcular el número de Reynolds para cada medición realizada
Se procederá de acuerdo a la explicación del docente
7. CUESTIONARIO.-
Este cuestionario debe ser respondido luego de la realización del experimento.

1. ¿Qué fuerzas relaciona el número de Reynolds?
2. ¿A qué se denomina flujo Laminar o régimen laminar?
3. ¿Cuál es la diferencia entre fluido laminar, transicional y turbulento?
4. ¿A qué se denomina fluido laminar completamente desarrollado? Y a qué se denomina
fluido turbulento completamente desarrollado?
5. Por una tubería con un diámetro (DI) de 2,067[pulg] fluye agua a 303[°K] con una
velocidad de 10[gal/min]. Calcule el número de Reynolds usando unidades del sistema
inglés y S.I.
6. Se está bombeando aceite dentro de una tubería de 10[mm] de diámetro con número de
Reynolds de 2100. La densidad del aceite es de 855[kg/m3] y su viscosidad es de 2,1*10-
2
[Pa*s]
a) Calcule la velocidad en la tubería
6
b) Se desea conservar el mismo número de Reynolds de 2100 y la misma

velocidad que en a) usando un segundo fluido con una densidad de
925[kg/m3] y una viscosidad de 1,5*10-2[Pa*s]. ¿Cuál debe ser el diámetro
de la tubería que se use?
1. Un flujo de leche entera a 293 [°K] con densidad de 1030 [kg/m 3] y viscosidad de 2,12[cP]
pasa a velocidad de 0,605[kg/s] por una tubería de vidrio de 63,5[mm] de diámetro.
a) Calcule el número de Reynolds. ¿Es turbulento el flujo?
b) Calcule la velocidad del flujo en [m3/s] necesario para un numero de
Reynolds de 2100 y la velocidad en [m/s].
7
Práctica No. 2
MEDICIÓN DEL CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOS
1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO. -
El movimiento de fluidos, por lo general se transfiere de un lugar a otro por medio de

dispositivos mecánicos tales como bombas o ventiladores por carga de gravedad o por
presión, y fluyen a través de sistemas de tuberías o equipos en proceso. Aplicando los
principios de conservación de la masa a la totalidad del sistema o a una parte del mismo
tenemos:
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Puesto que en el flujo de fluidos generalmente se trabaja con velocidad de flujo y casi
siempre en estado estacionario, la velocidad de acumulación es cero y se obtiene:
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜)
Un sistema simple de flujo en el que el fluido entra a la sección 𝐴1 con una velocidad
promedio 𝑣1 y una densidad 𝜌1 y el fluido sale por la sección 𝐴2 con una velocidad promedio
𝑣2. Como se puede observar en la figura 1
Área 2
Área 1 PROCESO
Figura 1.1 Balance de masa en un sistema de fluidos
El balance de masa será:
𝜌1𝐴1𝑣1 = 𝜌2𝐴2𝑣2
1.1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Está establecido que el caudal Q es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa
a través de una sección transversal a la corriente.
Considerando un elemento infinitesimal de área dA y su correspondiente velocidad

normal vn tal cual se lo muestra en la figura 1.1, entonces el caudal está definido como:
dQ = v n dA
Q =  vn dA
8
Si la corriente es uniforme (velocidad constante) o si V es la velocidad media y A la

sección transversal total, la ecuación anterior adopta la forma:
Q =V * A
Ahora bien, si se analiza una vena líquida formada por una infinidad de líneas de corriente,
como se muestra en la figura 1.2, es posible apreciar lo siguiente:
Fig. 1.2 Líneas de corriente que atraviesan un área infinitesimal
Por tanto:
 1V1 dA1 =  2V2 dA2 = Cte

En un fluido incompresible el caudal que atraviesa una sección transversal cualquiera es
constante
V1 dA1 = V2 dA2 = Cte

La ecuación de continuidad para un tubo de corriente y un fluido incompresible, se obtiene
integrando la ecuación anterior. De donde resulta:
Q =V* A
(1.2)
Dónde:
Q = caudal total del tubo
A = área de una sección transversal del tubo
V = velocidad media normal a la sección considerada
1.2. ECUACIÓN DE BERNOULLI PARA UNA LÍNEA DE CORRIENTE

(FLUIDO IDEAL)
9
La ecuación de Bernoulli es tal vez la más usada en aplicaciones de flujo de fluidos.
La deducción de esta importante ecuación, inicia con la aplicación de la segunda ley de

Newton a una partícula de fluido.
Las fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido en movimiento son:
• La fuerza de gravedad, peso propio.

• La fuerza de presión.
• La fuerza de viscosidad. Es nula en el fluido ideal.
• La fuerza de elasticidad. Es nula en el fluido incompresible.
• La fuerza capilar o tensión superficial. Juega un papel poco importante.
La fuerza de gravedad es interna al fluido mientras que las otras son externas.
Las únicas fuerzas a considerarse sobre la partícula de fluido ideal son las fuerzas de
presión y el peso propio (fuerza de gravedad), como se muestra en la figura
1.3.
En un fluido ideal la viscosidad es nula, por tanto, no hay transformación de energía

hidráulica en energía térmica. Además de ser un fluido ideal, es necesario que el flujo
sea irrotacional (ocurre cuando las partículas se trasladan sin realizar giro alguno
alrededor del centro de gravedad).
Por otro lado, en régimen permanente la trayectoria de una partícula de fluido coincide
con una línea de corriente.
Si además esta partícula de fluido no recibe energía de una maquina (bomba) ni tampoco
sede energía a una maquina (turbina), en el desplazamiento de la partícula de un punto
a otro a través de una línea de corriente, no se producirán cambios en la energía, es decir
la suma total de la energía que posee la partícula debe permanecer constante.
Analizando una partícula de fluido en movimiento se puede observar las fuerzas que
actúan sobre ella, tal como lo muestra la figura 1.3:
10
Fig. 1.3
Obtiene la sumatoria de las fuerzas en la dirección del movimiento, el resultado es:
v12 p1 v2 p
+ + gz1 = 2 + 2 + gz 2
2  2 
Conocida ecuación de Bernoulli.
Recordando los supuestos necesarios para su deducción:
• Flujo no viscoso (sin esfuerzos cortantes)

v
• Flujo estable =0
t
v
• A lo largo de una línea de corriente a s = v
s

• Densidad constante =0
s
Si se divide la ecuación de Bernoulli entre g, se convierte en:

v12 p1 v2 p
+ + z1 = 2 + 2 + z 2
2g  2g 
Donde las variables representan la energía por unidad de peso.
Es decir:
z = energía potencial
p/  = energía de presión
2
v /2g = energía de velocidad
11
p
La suma de los términos + z se denomina carga piezométrica, y la suma de los tres

términos es la carga total o energía total en un punto. Es muy común referirse a la presión
p como presión estática y la suma de los dos términos se denomina presión total o presión
de estancamiento.
v2
p est +  = pt
2
1.3. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
En un fluido real la viscosidad origina un rozamiento (fuerza de fricción) tanto del fluido
con el contorno (tubería, canal) y de las partículas de fluido entre sí. Es decir, además
de las tres clases de energía enumeradas anteriormente, se considera la pérdida de
energía por fricción o energía perdida hr, tal como lo muestra la figura 1.4 desde la sección
1 hasta la 2.
Fig. 1.4 Esquema de la línea de energía y la línea de cargas piezométricas
Entonces la ecuación de energía, se escribe de la siguiente forma.

p1 V12 p 2 V2
+ z1 + = + z 2 + 2 + hr
 2g  2g
12
Esta ecuación se puede aplicar a cualquier flujo uniforme permanente con una entrada y
una salida que tengan una carga total uniforme.
La ecuación de energía se reduce a una forma idéntica a la ecuación de Bernoulli si las

pérdidas son cero. Sin embargo, se debe recordar, que la ecuación de Bernoulli es una
ecuación de momentum que solo puede aplicarse a lo largo de una línea de corriente y
que la ecuación 1.11 se aplica entre dos secciones de un flujo.
1.4. TUBO DE VENTURI
El esquema del tubo Venturi se muestra en la Fig. 1.4. Consta de tres partes: una
convergente, otra de sección mínima o garganta, y finalmente una tercera parte
divergente. Se mide la diferencia de presiones entre la sección 1, y la parte convergente
(sección 2, garganta del Venturi), utilizando dos manómetros simples.
Fig. 1.4 Tubo Venturi
Despreciando en primera aproximación las pérdidas, se puede aplicar la ecuación de

Bernoulli para una línea de corriente entre las secciones 1 y 2.
p1 V12 p V2
+ z1 + = 2 + z2 + 2
 2g  2g
Despejando V2:
1
V2 = 2 g [( p1 /  + z 1 ) − ( p 2 /  + z 2 )]
1 − ( A2 / A1 ) 2
13
Ahora bien, el caudal teórico Q’ que pasa por el tubo Venturi será:
A2  p  p 
Q' = V2 A2 = 2 g  1 + z 1  −  2 + z 2 
A 
2
     
1 −  2 
 A1 
Como z1 y z2 se encuentran en el mismo nivel y además por hidrostática:
p
h=

Entonces la ecuación anterior toma la forma:
A2
Q = 2 g (h1 − h2 )
2
A 
1 −  2 
 A1 
El caudal real Q será distinto del expresado en la ecuación anterior en virtud del
rozamiento, que no se ha tenido en cuenta, y que puede valorarse por un coeficiente de
velocidad Cv, que oscila de 0,95 a poco más que la unidad, pudiéndose tomar como valor
indicativo 0,985 para tubos nuevos y 0,98 para los que ya han estado en uso.
Es decir:
Cv A2
Q= 2 g( h1 − h2 )
2
A 
1 −  2 
 A1 
Donde:
h1 , h2 = alturas piezométricas en los puntos 1 y 2.
Finalmente definiendo un coeficiente de descarga Cq que se calculará experimentalmente

mediante el tarado del tubo Venturi.
Cv
Cq =
2
A 
1 −  2 )
 A1 
14
Se obtiene el caudal real en el tubo Venturi.
Q = Cq A2 2 g( h1 − h2 )
Tanto Cv , como Cq no son constantes, sino que dependen del número de Reynolds. El
tarado del tubo Venturi consiste en obtener experimentalmente la curva Cq = (R), donde
R= número de Reynolds.
Si se considera en el anterior análisis las pérdidas de energía, es posible aplicar la

ecuación de energía de la siguiente manera:
p1 V12 p V2
+ z1 + = 2 + z 2 + 2 + hr
 2g  2g
Despejando las pérdidas menores en función de las velocidades y las presiones en los
puntos 1 y 2 resulta:
p V2   p V2 
hr =  2 + 2  −  1 + 1 
  2 g    2 g 

Error porcentual
|𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 |
𝐸𝑝 = ∗ 100
𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
2. COMPETENCIAS.-
Determina el coeficiente del venturímetro (Cv), para la calibración de este dispositivo de

medida de flujo, a través de la relación entre el caudal real, medido por el método de aforo
volumétrico y el caudal teórico, calculado utilizando las alturas piezométricas y el balance
de energía mecánica.
3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS. -
15

Equipo banco móvil 1 Pza Todos los equipos y
1 bomba de agua 1 Pza materiales se utilizan
para un máximo de 10
Tubo Venturi 1 Pza
estudiantes
2 Regla de 30 cm 1 Pza
3 Baldes de plástico de 10L 2 Pzas
4 Mangueras de conexión 3 Pzas
5 Cronometro 1 Pza
6 Calibrador de longitud 1 Pza
7 Probeta graduada de 1000 ml 1 Pza
INSUMOS
Todos los insumos se
1 Agua de grifo 50 L
utilizan para un máximo
2 Material de limpieza de 10 alumnos
Fig 1.5 Equipo banco móvil
4. TECNIA Ó PROCEDIMIENTO.-
16
Esta experiencia de laboratorio consta de dos partes, en la primera se determina el caudal

y la velocidad, con ayuda del tubo Venturi y en la segunda se determina el coeficiente de
descarga.
4.1. Determinación del caudal
1. Armar el equipo de acuerdo con las siguientes figuras1.5 y 1.6

2. Regular un flujo permanente en el Venturímetro, ajustando con cuidado las
válvulas de entrada y de salida de los tubos piezométricos (válvula superior).
3. Medir en los piezómetros del tubo Venturi las alturas piezométricas
correspondientes a las distintas secciones del Venturímetro.
4. Medir el caudal aplicando el método de aforo volumétrico con tres lecturas de
tiempo como mínimo.
5. Repetir el proceso para obtener varios datos de ensayo, mínimo tres.
Nota: evitar la presencia de burbujas de aire en los tubos de venturi.
4.2. Determinación del coeficiente de descarga 𝑪𝒒
1. Medir las alturas h1 y h2 (alturas piezométricas para las secciones 1 y 2 del

Venturímetro) para distintos caudales Q. El caudal se mide a través del tiempo
para un determinado volumen que varía regularmente.
2. Determinar el coeficiente del venturímetro Cv, representando los valores del
caudal real (Q) versus el teórico (Q´), como la pendiente de la relación lineal
entre ambos.
3. Aplicar la ecuación para determinar el coeficiente de descarga Cq
Cv
Cq =
2
A 
1 −  2 )
 A1 
5. TIEMPO DE DURACIÓN DE LA PRÁCTICA.-
La práctica tiene una duración de 100 minutos
6. MEDICION, CALCULOS Y RESULTADOS.-
Llenar la siguiente tabla:
17
Número de ensayos
Magnitud física
Nº 1 Nº 2 Nº 3
Altura piezométrica en 1 (Tubo Venturi)
Altura piezométrica en 2 (Tubo Venturi)
Volumen aforo (mL)
Caudal
Tiempo (min)
Altura en 1 (Tubo Venturi)
Altura en 2 (Tubo Venturi)
Ancho del tubo Venturi
7. CUESTIONARIO.-
2. Existe alguna diferencia en la aplicación de la ecuación de Bernoulli y la de Energía?,

¿por qué?
3. ¿A qué se debe que la gradiente de energía no sea horizontal, es decir, H =
constante?
4. ¿Qué significa la diferencia de alturas, entre las alturas totales y las alturas de
presión?
5. A partir de los datos de la segunda parte, determinar los caudales en función de las
alturas piezométricas del tubo Venturi.
6. Comentar las diferencias de los caudales reales con los teóricos.
7. Petróleo crudo con una densidad de 892 [kg/m3] fluye a través del sistema de tuberías
que se muestra en figura 1. a una velocidad total de 1,388*10 -3 [m3/s] a la entrada de
la tubería 1. El flujo se divide en partes iguales entre las 3 tuberías. Las tuberías son
de acero de cedula 40. Calcule:
a) Velocidad total del flujo de masa m en las tuberías 1 y 3.
b) Velocidad promedio v en 1 y 3.
c) Velocidad de masa G en 1.
18
19
Práctica No. 3
TRANSFERENCIA DE CALOR I

La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que
puede tener lugar entre cuerpos materiales, como el resultado de una diferencia de
temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como
calor, la transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la
termodinámica, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para
establecer la rapidez de la transferencia de energía.
Los modos de transferencia de calor son:
• Conducción
• Convección
• Radiación
Transferencia de Calor por Conducción; La conducción es el mecanismo de

transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular,
por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le
entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las
temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los
metales.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del
medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y
cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1y T2, con T2> T1, se encuentra que
el calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en
20
Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H =

∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.
Donde k(en W/mºC) se llama conductividad térmica del material, magnitud que representa
la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación
de temperatura; y es el gradiente de temperatura.
El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la

temperatura.
Transferencia de calor por Convección: Mecanismo de transferencia de calor por

movimiento de masa o circulación 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. Sólo se produce en líquidos y gases donde
los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.
Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del

Enfriamiento:
𝑞 = ℎ𝐴(𝑇𝑝 − 𝑇∞)
21
Aquí el flujo de calor transferido se relaciona con la diferencia global de temperaturas

entre la pared y el fluido, y el área A de la superficie que entrega calor . La magnitud h
se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección W/(𝑚2 ∗ºC),
Transferencia de calor por Radiación: La radiación térmica es energía emitida por la
materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la
fuente hacia afuera en todas las direcciones.
Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los
átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones,
por lo recibe el nombre de radiación electromagnética.
La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es idénticamente nula. Por lo tanto,
atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede
mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotón se llama rayo). La radiación
electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y
perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio transportando energía de
un lugar a otro.
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido,

que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es
independiente de la materia para su propagación, de hecho, la
Transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la

velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia
de materia.
22
Se limitará el análisis a la radiación electromagnética que se propaga como resultado de

una diferencia de temperaturas, este fenómeno se llama radiación térmica.
Consideraciones termodinámicas muestran que un radiador térmico ideal, o cuerpo negro,

emita energía de forma proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del
cuerpo y directamente proporcional al área de su superficie. Así:
𝑞𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 = 𝜎𝐴𝑇4
Donde 𝜎 es la constante de proporcionalidad y se denomina constante de Stefan-
Boltzman, que tiene un valor 𝑘 = 5.669 ∗ 10−8 W/(𝑚2 ∗ 𝐾4).
2. COMPETENCIAS.-
Caracteriza los procesos de transferencia de calor que ocurren en una superficie

determinada, para estimar las pérdidas de calor en dicha superficie, a través de
mediciones de temperatura en los fluidos y superficie, dimensiones de la superficie y
tomando en cuenta los mecanismos de transferencia de calor por conducción, convección
y radiación.

1 Caldero de vapor de 200 Kg/hr 1 Pza
2 Medidor de caudal de gas natural 1 Pza
3 Bomba de agua de 0.5 hp 1 Pza
4 Bomba de agua de 2.0 hp 1 Pza Todos los equipos y
5 Condensador de vapor 1 Pza materiales se utilizan
6 Termómetro infrarrojo 1 Pza para un máximo de 15
7 Guantes de trabajo 15 Pzas estudiantes
8 Flexómetro 1 Pza
9 Termómetro de bulbo 1 Pza
10 Tabla de propiedades 1 Pza
INSUMOS
23

1 Gas natural 15 m3 Todos los insumos se
2 Agua de red 100 L utilizan para un máximo
3 Material de limpieza de 15 alumnos
4. TECNICA Ó PROCEDIMIENTO.-
- Medir las dimensiones del contenedor de ladrillo refractario y la chapa de acero

- Tomar la temperatura de la superficie del contenedor de ladrillo refractario,
tomar 10 mediciones distribuidas uniformemente en la superficie
- Medir el espesor de la chapa de acero.
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA.-
Tiempo de duración aproximado de la práctica 100 minutos.
6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS.-
1. Calcule el coeficiente global en el ladrillo refractario y la chapa de acero.

2. Calcule la perdida de calor total del contenedor de ladrillo refractario.
3. Cuanto es la perdida de energía en porcentaje si se genera 140000 Kcal/hr en el
hogar del caldero.
24
4. Realice un gráfico del perfil de temperaturas con los datos encontrados.
7. CUESTIONARIO.-
1. Cuantos Mecanismos de Transferencia de Calor están presentes en la Práctica.

Explique
2. Calcule la temperatura entre el ladrillo Refractario y la chapa de acero, suponga
la temperatura interna del ladrillo refractario a 720ºC.
3. Qué tipo de flujo este presente entre el contenedor de ladrillo refractario?
4. La Unidad de Destilación Experimental de Hidrocarburos tiene un horno de
combustión de acero revestido de ladrillo refractario, la altura del horno es de 1.2
m, diámetro de 0.9 m y un espesor de 7 cm, la temperatura entre la llama y el
ladrillo de la superficie es de 350 ºC y está en contacto con el aire (Asuma
temperatura ambiente 25 ºC). Calcule el coeficiente de transferencia de calor si
la temperatura de la superficie de acero exterior es de 80 ºC.
5. Un cuarto de almacenamiento refrigerado se construye con una plancha interna
de 12,7[mm] de pino, una plancha intermedia de 101,6[mm] de corcho presado y
una plancha externa de 76,2 [mm] de concreto. La temperatura superficial de la
pared interna es de 255,4[°K] y la exterior del concreto es de 297,1[°K].
Las conductividades en unidades S.I. son 0,151 para el pino; 0.0433 para el corcho
pesado y 0,762 para el concreto todas en [W/m°K]. Calcúlese la perdida de calor en
[W] para 1 m2, así como la temperatura en la interfaz de madera y el corcho
prensado.
6. Una ventana de vidrio con área de 0,557[m 2] se instala en la pared externa de
madera de una habitación. Las dimensiones de la pared son 2,44*3,05[m]. La
madera tiene un k de 0,1505[W/m*°K] y su espesor es de 25,4[mm]. El vidrio tiene
3,18[mm] de espesor y k = 0,692. La temperatura interior de la habitación es 299.9
[°K] (26,7°C) y la temperatura del aire exterior es 266,5[° K] el coeficiente
2
convectivo hi del pared del interior del vidrio y de la madera es 8,5[W/m *K] y el h0
externo también es 8,5 para ambas superficies. Calcule la perdida de calor a través
de la pared de madera, del vidrio y el total.
25
Práctica No. 4
TRANSFERENCIA DE CALOR II

La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de un equipo
destinado a cubrir un objetivo determinado en ingeniería es de vital importancia.
Los intercambiadores de calor pueden tener como modo primario de transferencia de

calor la conducción y convección.
El coeficiente global de transferencia de calor, al ser estudiado a través de una pared

plana, esta expresada por:
Donde 𝑇𝐴 y 𝑇𝐵son las temperatura del fluido a cada lado de la pared. El coeficiente global
de transferencia de calor se define mediante la relación:
𝑄̇ = 𝑈𝐴 ∆𝑇
El coeficiente de transferencia de calor estudiado en un intercambiador de calor con dos

tubos concéntricos, en el cual el fluido circula por el interior del tubo más pequeño,
mientras que el otro fluido discurre por el espacio anular que entre los dos tubos, esta
expresada por:
Dónde:
U= Coeficiente global de transferencia de calor.

A= Área total de transferencia de calor referida a U ∆𝑇 = Diferencia de temperatura entre
el vapor y el agua.
La diferencia media logarítmica de la temperatura ∆𝑇 se la debe calcular con la siguiente
ecuación.
26
Se debe hacer notar que el vapor es un caso especial ya que se considera que la
temperatura del mismo permanece constante en todo el intercambiador.
2. COMPETENCIAS.-
Evalúa el funcionamiento de un equipo de intercambio de calor para determinar el valor

del coeficiente global de transferencia de calor, en base a las características del
intercambiador y las mediciones experimentales de temperaturas de entrada y salida de
los fluidos caliente y frio.
1 Caldero 200 Kg/hr 1 Pza Todos los equipos y
2 Intercambiador de calor 1 Pza materiales se utilizan
para un máximo de 15
3 Enfriador de agua 1 Pza
estudiantes
5 Cronómetro 1 Pza
6 Termómetro Infrarrojo 1 Pza
7 Balanza 1 Pza
8 Probeta de 2000 ml 1 Pza
9 Valdés de 10 L 2 Pzas
10 Probeta graduada de 1000 ml 1 Pza
INSUMOS
27

1 Agua de red 100 L Todos los insumos se
utilizan para un máximo
2 Gas natural 15 m3 de 15 alumnos
5 Material de limpieza
4. TECNICA O PROCEDIMIENTO.-
- Seguir el circuito de flujos y observar cómo se comportan los accesorios de control

y seguridad.
- Registrar la presión a la que entra el vapor, mediante tabla determinar la
temperatura del vapor.
- Registrar la temperatura de entrada y salida de agua del intercambiador
- Calcular el área interna y externa de transferencia de calor total de los tubos en el
intercambiador, utilizando el plano del intercambiador.
- Calcular la diferencia de temperatura y del área (con el radio interno y el radio
externo) por el método de LMTD.
- Medir el caudal de agua
- ESQUEMA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR.-
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA.-
Tiempo de duración aproximado de la práctica 100 minutos.
28
6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS.-
1. Con el uso de las ecuaciones mencionadas en el marco teórico, determinar el

coeficiente de transferencia de calor global U.
2. Calcule al calor total transferido.
3. Calcule la eficiencia del intercambiador de calor
4. Existen perdidas de calor? Justifique su respuesta
7. CUESTIONARIO.-
1. Que es el factor de suciedad o ensuciamiento? Qué efectos tiene en los

intercambiadores de calor?
2. Cuáles son las ventajas y desventajas de usar: Intercambiador de calor de doble tubo,
Intercambiador de flujo cruzado, Intercambiador de tubo y coraza, en que situaicones
es conveniente cada uno, explique
3. Se desea calentar una corriente de 6.03 kg/s de aceite vegetal de 25ºC a 90ºC, con
vapor de agua en un intercambiador de tubos y coraza, la presión de ingreso del vapor
de agua es 110 Kpa y la presión de salida del mismo es 139 Kpa, el área del
intercambiador es de 2.3 𝑚2. Determine:
- La media de la diferencia de temperatura
- Coeficiente global de transferencia de calor en 𝑊/𝑚2 𝐾
5. Una mezcla de reacción con cpm=200,85 [KJ/Kg*°K], que fluye a velocidad de
7260[kg/h] y se debe enfriar de 377,6[°K] a 344,3[°K] se dispone de agua de
enfriamiento a 288,8[°K] con velocidad de flujo de 4536 [kg/h]. El valor general de U 0
es 653[W/m2*K].
a) Calcule la temperatura de salida del agua y el área A del intercambiador
operando a contracorriente.
b) Repita para flujo en paralelo
6. En el circuito del intercambiador de calor explique qué finalidad tiene el regulador de
presión y cómo influye está en la temperatura.
29
30

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GUÍA DE PRÁCTICA OPERACIONES UNITARIAS I

Código de registro: RE-10-LAB-121 Versión 8.0

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS EN TUBERÍAS

1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.-

Según la teoría, en hidráulica de tuberías, el Número de Reynolds está definido como un

Fig. 1. Flujo laminar y flujo turbulento

El Número de Reynolds está definido por la siguiente relación:

En flujo laminar las partículas fluidas se mueven en trayectorias paralelas, formando el

Fig. 2. Comportamiento del líquido a diferentes velocidades

Describe el comportamiento del movimiento de un fluido en un conducto, para la

3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS.-

4 Tubería de descarga 1 Pza

Consiste en reproducir en laboratorio la ocurrencia de flujo laminar, transicional y

Paso 1) Familiarizarse con la descripción y la instalación del experimento.

Paso 8) Medir el caudal mediante el método volumétrico. Este método consiste

Paso 9) Observar a través de la tubería de vidrio el patrón de flujo instalado,

Realizar 3 mediciones para distintas aperturas de la válvula de control,

La práctica tiene una duración de 100minutos

6. MEDICIÓN, CALCULOS Y GRÁFICOS.-

En el transcurso de la práctica y al final de esta, el alumno deberá tomar nota de todos

Magnitud física Valor 1 Valor 2 Valor 3

Tiempo de llenado del aforo t

Volumen de agua recolectada

Velocidad media V (cm/s)

Temperatura del agua T (ºC)

Tipo de régimen laminar o

Este cuestionario debe ser respondido luego de la realización del experimento.

b) Se desea conservar el mismo número de Reynolds de 2100 y la misma

MEDICIÓN DEL CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOS

1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO. -

El movimiento de fluidos, por lo general se transfiere de un lugar a otro por medio de

Figura 1.1 Balance de masa en un sistema de fluidos

El balance de masa será:

1.1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

Considerando un elemento infinitesimal de área dA y su correspondiente velocidad

Si la corriente es uniforme (velocidad constante) o si V es la velocidad media y A la

Fig. 1.2 Líneas de corriente que atraviesan un área infinitesimal

 1V1 dA1 =  2V2 dA2 = Cte

V1 dA1 = V2 dA2 = Cte

1.2. ECUACIÓN DE BERNOULLI PARA UNA LÍNEA DE CORRIENTE

La ecuación de Bernoulli es tal vez la más usada en aplicaciones de flujo de fluidos.

La deducción de esta importante ecuación, inicia con la aplicación de la segunda ley de

• La fuerza de gravedad, peso propio.

En un fluido ideal la viscosidad es nula, por tanto, no hay transformación de energía

Recordando los supuestos necesarios para su deducción:

• Flujo no viscoso (sin esfuerzos cortantes)

Si se divide la ecuación de Bernoulli entre g, se convierte en:

Donde las variables representan la energía por unidad de peso.

1.3. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA

Fig. 1.4 Esquema de la línea de energía y la línea de cargas piezométricas

Entonces la ecuación de energía, se escribe de la siguiente forma.

La ecuación de energía se reduce a una forma idéntica a la ecuación de Bernoulli si las

1.4. TUBO DE VENTURI

Fig. 1.4 Tubo Venturi

Despreciando en primera aproximación las pérdidas, se puede aplicar la ecuación de

Como z1 y z2 se encuentran en el mismo nivel y además por hidrostática:

h1 , h2 = alturas piezométricas en los puntos 1 y 2.

Finalmente definiendo un coeficiente de descarga Cq que se calculará experimentalmente