TP Flujo a Contracorriente

TRABAJO PRACTICO Nº 7
FLUJO CONTRACORRIENTE
Introducción:
El flujo a contracorriente es un mecanismo
utilizado para transferir alguna propiedad de un fluido
en movimiento a otro que se mueve en dirección
contraria, separados por una membrana semipermeable
o un material termoconductor. Este mecanismo es muy
eficiente para el intercambio de solutos o calor entre
dos fluidos y fue seleccionado a lo largo de la
evolución en numerosos sistemas biológicos. Ejemplos
de flujo a contracorriente encontramos en el sistema
excretor de los mamíferos, en el sistema respiratorio
de los peces o en las extremidades de las aves.
Durante este trabajo práctico evaluaremos la eficiencia de un flujo a contracorriente
para el intercambio de calor con un sistema experimental artificial simple y lo compararemos
con el flujo en paralelo.
Diseño experimental:
Utilizaremos el siguiente aparato para simular flujos paralelos y contracorriente:
350mm
Intercambiador de calor hecho con dos caños de cobre
soldados con estaño y recubierto con material aislante.
Flujo Paralelo
a) Colocar en cada uno de los recipientes 2 litros de agua a: 50°C (agua caliente en
termo) y a 0°C (agua de la canilla con hielo). Conectar las mangueras al
intercambiador de modo que el agua circule de forma paralela.
b) Con una jeringa hacer vacío desde el extremo opuesto al recipiente que contiene el
agua, para que empiece a circular hacia el recipiente colector (envase de telgopor de
½ litro). Dejar correr unos 200 mililitros (mL) de agua para estabilizar el sistema,
regulando el caudal con los reguladores (canillas negras de plástico) hasta alcanzar
aproximadamente los 50 mL/min.
c) Una vez alcanzado el caudal deseado en ambas mangueras, iniciar la primera
medición colectando el agua a la salida de cada tubo, de manera simultánea, en
envases de telgopor vacíos de ½ litro de capacidad durante 2 minutos (use un
cronómetro), registrando la temperatura con un termómetro que se debe mantener
dentro del envase desde el inicio de la recolección de agua. Transcurridos los 2
minutos, retirar la manguera, colocarla en otro recipiente de telgopor de 1 litro de
capacidad y medir en una probeta el volumen de agua colectado de cada salida.
d) Repetir esta medición 4 veces más, anotando los resultados en la Tabla I. Es
sumamente importante verificar que la temperatura de cada recipiente superior se
mantenga constante en los valores iniciales (50ºC y 0ºC), así como el caudal (50
mL/min).
Cambio de caudal:
e) Una vez obtenidas las 5 mediciones con el caudal 50 mL/min, realizar otras 5
mediciones pero incrementando el caudal al doble (100 mL/min). Para ello, variar la
apertura de los reguladores de flujo (canillas negras).
Flujo Contracorriente:
f) Realizar la misma operación, pero ahora con el flujo a contracorriente. Conectar las
mangueras según corresponda, dejar correr 200 mL de agua para estabilizar el sistema,
bajar el caudal a 50 mL/min y realizar 5 mediciones (anotar los datos en la Tabla I).
g) Finalizadas estas mediciones, cambiar el caudal a 100 mL/min y realizar otras 5
mediciones con este nuevo caudal.
Diagrama de Flujo Paralelo
Diagrama de Flujo a Contracorriente
Recomendaciones:
1. Cuando sea necesario cortar la medición, hágalo descargando el contenido de las
mangueras de circuito desde la parte superior.
2. Calibrar la salida del agua con los reguladores (canillas negras) en cada nueva
medición.
3. Controlar la temperatura de los termómetros en los recipientes colectores, que deben
estar en 0°C al inicio de cada medición.
4. Al cambiar de un flujo al otro, controle la posición de las mangueras de salida.
Una vez realizadas todas las mediciones, calcular la cantidad de calor (Q) que se
intercambió en cada tipo de flujo (paralelo y contracorriente) y para cada caudal (50 y 100
mL/min).
Recuerde que:
Q = m * Ce * ∆T
donde Q es el calor medido en calorías, m es la masa de la solución (masa de soluto + masa
de solvente) expresada en gramos (1 mL = 1 gramo), Ce(H2O) es el calor específico del agua
que equivale a 1 caloría/g * ºC y ∆T es la diferencia entre la temperatura final y la
temperatura inicial.
Complete las siguientes tablas con sus datos experimentales:
Medición: Tabla I
PARALELO Frio
T inicial
∆T
Tiempo
Volumen
Caudal
∆Q
T final
PARALELO Caliente
T inicial T final
CONTRA CTE Frío
T inicial
∆T
Tiempo
Volumen
Caudal
∆Q
∆T
Tiempo
Volumen
Caudal
∆Q
T final
CONTRA CTE Caliente
T inicial T final
∆T
Tiempo
Volumen
Caudal
∆Q
(Recordatorio: para cada tipo de flujo (paralelo y contracorriente) deberán tener un total de 5
mediciones con un caudal de 50 mL/min y 5 mediciones con un caudal de 100 mL/min)
INFORME:
Se deberá entregar en la clase siguiente un informe grupal que contenga los objetivos,
los resultados del trabajo práctico indicando todos los datos obtenidos en las mediciones y los
cálculos de intercambio de calor. Hacer referencia a la eficiencia de cada uno de los diseños
(en paralelo y en contracorriente).
Además, se deben responder las siguientes preguntas:
a) ¿De qué variables depende el intercambio de calor en nuestro sistema experimental?
b) ¿Qué ocurriría si en vez de nuestro sistema experimental con caños de cobre, tuviésemos
dos soluciones distintas que fluyen separadas por membranas semipermeables? ¿Se aplicaría
el mismo principio que con el calor? ¿De que variables dependerá el intercambio de solutos?
c) ¿Qué ocurriría si hubiese transporte activo de solutos a través de esas membranas? ¿Cómo
afectaría a la eficiencia en cada tipo de flujo?