PROYECTO INTERCAMBIADOR DE CALOR
TEMA:
IMPLEMENTACION DE UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR CON TUBOS PARA EL LAVADO DE FRUTAS CON AGUA EN LA EMPRESA
AGROFOODS S.A.
INTRODUCCIÓN
Las
operaciones unitarias son la base de procesos productivos que también nos ayuda
con resoluciones de diversos problemas presentados en la vida cotidiana por lo
que nos permitirá desarrollar el análisis de la simulación del presente
proyecto, tratándose así de un sistema de un intercambiador de calor para el
área de esterilización y lavado de frutas, el reto es encontrar el
intercambiador de calor adecuado a para así poder realizar los procesos de forma
optima.
Mediante lo
aprendido en las clases impartidas realizaremos la resolución del problema,
añadiendo investigaciones autónomas con el fin de complementar el entendimiento
logrando así por medio de esquematización y simulación en 3D con cálculos en
Excel que nos permitirá un mejor desarrollo y obtener así una conclusión
técnica y objetiva de los hechos y datos observados.
JUSTIFICACIÓN
En el
proyecto de simulación presentado se tomó la decisión de analizar intercambiador
de calor apropiado junto a una funcionabilidad que sea la más adecuada para la
aplicación y utilidad que se debe necesitar en las empresa, esto gracias a la
aplicación de métodos y cálculos de mecánica de fluidos que son también
importantes en el conocimiento general con el fin de determinar lo más oportuno
en el ámbito del desarrollo tanto como en su funcionamiento en el momento de
transportar el agua como en los ámbitos económicos con la finalidad de reducir
la mayor cantidad de costos, dicho esto se observa provechoso la realización
del proyecto y así reforzar conocimientos académicos y prácticos.
FUNDAMENTOS TEORICOS
Una operación unitaria se define como un área del proceso o
equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una
función determinada ya sean actividades básicas que forman parte del proceso.
Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:
- Materias Primas
- Operaciones físicas de acondicionamiento
- Reacciones químicas
- Operaciones físicas de separación
- Productos
Éstos tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa para conseguir una finalidad. Esta modificación se puede conseguir:
- Modificando su masa o composición.
- Modificando su nivel o cantidad de energía.
- Modificando las condiciones de movimiento:
velocidad.
Para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos:
- Operaciones unitarias físicas.
- Operaciones unitarias químicas.
- De transferencia de materia.
- De transferencia de energía.
- De transferencia simultánea de materia y energía.
- De transferencia de cantidad de movimiento.
- Complementarias
Método de Kern
La predicción de la transferencia de calor
varía entre ligeramente insegura (valor superior al real) y muy segura (valor
inferior al real). Mientras que las predicciones de la pérdida de carga se
sitúan en el lado de seguridad con errores superiores al 100 %. En régimen
laminar los errores todavía son grandes debido a la poca información disponible
en el momento que se elaboró el método. Si bien los resultados obtenidos por el
método Kern no presentaron una gran mejora respecto a las correlaciones
existentes, el mérito del éxito obtenido se encuentra en el hecho de haber
presentado un método global de diseño, presentando además varios ejemplos de
cálculo. Es evidente que no puede ser utilizado como un método de diseño porque
la sobrestimación de la pérdida de carga puede llevar a diseños conservadores,
con una gran separación de deflectores o con diámetros de carcasa superiores, y
por consiguiente con coeficientes de transferencia de calor bajos. Sin embargo,
todavía se sigue utilizando en la industria para comprobar el funcionamiento
térmico de los intercambiadores.
Transferencia de calor
Se denomina transferencia de calor, transferencia térmica o
transmisión de calor al fenómeno físico que consiste en el traspaso de energía
calórica de un medio a otro.
Esto ocurre cuando dos sistemas que se encuentran a
distintas temperaturas se ponen en contacto, permitiendo el flujo de la energía
del punto de mayor temperatura al de menor, hasta alcanzar un equilibrio
térmico, en el que se igualan las temperaturas.
Los principios de transferencia de calor son bien conocidos
y se describen brevemente más abajo. La energía calorífica es transferida por
tres modelos básicos. Todas las aplicaciones de calor involucran cada modelo en
mayor o menor grado.
•
Conducción
•
Convección
•
Radiación
La conducción es la transferencia de calor a través
de un material sólido. Aquellos metales, como cobre y aluminio, son buenos
conductores de energía calorífica. Los vidrios, las cerámicas y los plásticos
son relativamente pobres conductores de energía calorífica y frecuentemente se
usan como aislantes térmicos. Todos los gases son malos conductores de energía
calorífica. Una combinación de vidrio expandido o fibra de cerámica rellena con
aire es un excelente aislante térmico. Las aplicaciones típicas de conducción
de calor incluyen el calentamiento de platina (calentadores de cartucho),
calentamiento de tanques (calentadores tipo tira y anillo), calentamiento de
tuberías a través de un cable calentador y otras aplicaciones donde el
calentador está en contacto directo con el material que está siendo calentado.
La convección es la transferencia de energía
calorífica mediante la circulación y difusión del medio calentado. Es el método
más comúnmente utilizado para el calentamiento de fluidos o gases y también la
aplicación más frecuente de elementos y conjuntos tubulares eléctricos. El
fluido o gas en contacto directo con una fuente de calor se calienta por
conducción lo que provoca que éste se expanda. El material expandido es menos
denso o más ligero que su ambiente y tiende a elevarse. Como éste se eleva, la
gravedad lo reemplaza con material más frío y más denso que es entonces
calentado, y así se repite el ciclo. Este patrón de circulación distribuye la
energía calorífica por todo el medio. La convección forzada utiliza el mismo
principio sólo que bombas o ventiladores mueven el líquido o gas en lugar de la
gravedad. Las aplicaciones típicas de calentamiento por convección incluyen
calentamiento por inmersión en agua y aceite, calentamiento de aire,
calentamiento de gas y calentamiento del aire ambiental.
La
radiación es la transferencia de energía calorífica por ondas
electromagnéticas (infrarrojas) y es muy diferente a la conducción y a la
convección. La conducción y la convección tienen lugar cuando el material que
se está calentando está en contacto directo con la fuente de calor. En el
calentamiento infrarrojo, no hay contacto directo con la fuente de calor. La
energía infrarroja viaja en línea recta a través del espacio o el vacío
(similar a la luz) y no genera calor hasta que es absorbida. La energía
calorífica convertida se transmite entonces en el material mediante una
convección o una conducción.
Intercambiador de Calor
Los intercambiadores de calor son dispositivos cuya función
es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. La
transferencia de calor se produce a través de una placa metálica o tubo que favorezca
el intercambio entre fluidos sin que estos se mezclen. En este artículo veremos
los distintos tipos de flujos que pueden tener los fluidos a través de estos
dispositivos para favorecer la trasmisión de calor así como las aplicaciones en
la industria y concretamente en el sector naval.
Las aplicaciones a bordo son variadas y en función del
objetivo para el cual están diseñados los intercambiadores de calor reciben
distintas denominaciones:
- Intercambiador de Calor: Dispositivo que realiza una doble función; calentar un fluido y enfriar otro.
- Condensador: Dispositivo que tiene como objetivo condensar vapor o mezcla de vapores
- Enfriador: El objetivo de un enfriador como su propio nombre indica es disminuir la temperatura del fluido por medio de otro (aire, agua, aceite…)
- Calentador: Dispositivo enfocado a aportar calor sensible (sin cambio de fase) a un fluido
- Vaporizador: El objetivo de un Vaporizador es vaporizar parte de un líquido.
Tipos de Intercambiadores según la Dirección del Flujo
- Flujo Paralelo
Los dos fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo
del intercambiador y fluyen en la misma dirección intercambiando calor
hasta alcanzar una temperatura próxima la una de la otra, es decir, los fluidos
tratan de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.
- Contraflujo
Cada uno de los fluidos entran al intercambiador por
diferentes extremos y se presenta el contraflujo cuando los dos fluidos fluyen
en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Este tipo de
intercambiador puede presentar una temperatura más alta en el fluido frío
y más baja en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor
,por lo que es más eficiente termicamente si lo comparamos con el flujo
paralelo
- Flujo Cruzado
En el intercambiador que presenta un flujo cruzado, uno de
los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido. Uno de los fluidos
pasa a través de los tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos
perpendicularmente.
Este tipo de intercambiadores es comúnmente empleado donde
uno de los fluidos presenta un cambio de fase y por tanto una mezcla bifásica
(fase líquida+fase gas) dentro del intercambiador, por ejemplo condensadores de
vapor.
- De un Solo Paso (Paso Simple)
Sí el fluido sólo intercambia
calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de
paso simple o de un solo paso, en ocasiones la transferencia de calor no es lo
suficientemente para alcanzar la temperatura deseada por lo que se emplea un
método que combina dos o más intercambiadores en serie, esto permite mejorar la
eficiencia del proceso de intercambiador de calor ya que los fluidos se hacen
pasar varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.
- De Múltiples Pasos
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos.
Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el
sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de «U»en los
extremos, esta configuración de «U», permite al fluido volver a recorrer el
interior del intercambiador incrementando el área de transferencia.
- Regenerativos y No Regenerativos
Los intercambiadores de calor también pueden ser
clasificados por su carácter regenerativo o no regenerativo:
Intercambiador Regenerativo
Es un intercambiador regenerativo aquel donde se emplea el mismo fluido (fluido
caliente = fluido frío) como se aprecia en la imagen. El proceso es el
siguiente; El fluido caliente atraviesa el intercambiador cediendo calor en él
y posteriormente regresa al intercambiador como fluido frío.
Este tipo de intercambiadores se emplean en sistemas de
altas temperaturas donde una parte del fluido del sistema se redirige del
proceso principal a un proceso secundario, ya que la energía interna de este
fluido es aprovechable para otras funciones (por ejemplo calefacción).
Tipos de Intercambiadores según su estructura
Existen multitud de configuraciones para los
intercambiadores en función de las características necesarias para desarrollar
el proceso para el que se diseñan. Los siguientes tipos de intercambiadores son
los más recurrentes siendo el de placas y tubos + carcasa los empleados
comúnmente a bordo.
- De Placas
La configuración del intercambiador de placas consta de un
empaquetamiento de finas placas o láminas de
metal corrugadas de alto
coeficiente de transferencia que favorece la transferencia
de calor. La conformación corruga permite que se produzcan flujos turbulentos a velocidades relativamente pequeñas (0.25
a 1 m/s).
El funcionamiento es simple, si tomamos como ejemplo la
imagen, podemos observar que mientras en una cara de la lámina desciende el
fluido caliente, por lámina inmediatamente contigua circula a contra flujo (para favorecer el intercambio y
no producir esfuerzos térmicos en zonas concretas), los fluidos nunca se mezclan y la presión de apriete de la empaquetadura más
las juntas de goma perimetral
(color negro) evitan que los líquidos escapen.
Hay tres características reseñables en este tipo de intercambiadores de calor:
- Las placas son ultra-delgadas (0.5-0.9 mm)con alto coeficiente de intercambio de calor, esto mejora su eficiencia a la hora de trasferir el calor
- Los intercambiadores de calor de placas precisan de muy poco espacio para su montaje, frente a los intercambiadores de carcasa y haz de tubos.
- Fáciles de mantener pues en caso de incrustaciones, su desmontaje y limpieza es muy sencillo y rápido.
- De Haz de Tubos y Carcasa
La configuración de tubos y carcasa es la construcción más
básica y común de los intercambiadores de calor, debido a ser el sistema de
tubos más empleado se le denomina intercambiador de tubos sin más, pero debido
a la configuración que se explicará en el punto 3.4 añadiremos el término «con
carcasa».El fluido que circula por el interior de los tubos se denomina «Flujo
interno» y el fluido que circula por la carcasa «Flujo externo».
En los extremos de los tubos, el fluido que circula por el
interior de los tubos es separado del fluido que circula por la carcasa por la denominadas «Placas del tubo». En las partes intermedias
se pueden apreciar unos separadores en forma de medialuna llamados «Deflectores» cuya función es forzar la
dirección del flujo y mejorar el intercambio de calor.
En sistemas donde los fluidos presentan grandes diferencias
de presiones, el fluido de mayor presión circula a través de los tubos y el de
menor presión por el exterior, es decir por la carcasa. Esto viene a razón de
los costes de materiales, los tubos pueden fabricarse para soportar mayores
presiones que la carcasa dado que si fuese a la inversa, el costo sería mucho
mayor.
- Refrigerados por Aire
Este tipo de intercambiadores refrigerados por aire consiste
en la disposición de una serie de tubos situados en una corriente de aire, esta
corriente puede ser natural o forzada con ayuda de un ventilador. Para mejorar
la eficiencia, los tubos suelen tener aletas para aumentar la superficie de
intercambio de calor y su coeficiente de transferencia.
El ventilador fuerza o induce el
paso de aire (en esta imagen en dos etapas) a lo largo de los tubos con aletas
y el fluido que se enfría fluye por los tubos que se unen en ambos
extremos a colectores o cabezales. Estos ventiladores pueden ser de velocidad
ajustable para modificar el caudal de aire a fin de compensar las variaciones
de la temperatura del aire.
- De Tubos Concéntricos
Este tipo de intercambiadores consta de dos tubos
concéntricos de diámetros diferentes ensamblados uno dentro del otro,
llamado intercambiador de calor de tubo doble o tubos concéntricos. En este
dispositivo, el fluido caliente circula por el conducto interno cediendo calor
al fluido de menor temperatura que circula por su sección anular (camisa o
encamisado).
- Prensaestopas tubo exterior
- T de conexión
- Unión roscada
- Codo en U
- Prensaestopas tubo interno
- Tubo conector
- Tubo interior
- Entrada tubo interno
- Salida tubo externo
- Prensaestopas de paso
- Entrada tubo externo
- Tubo externo
- Salida tubo externo
Aplicaciones de los Intercambiadores de Calor
Como se ha mencionado anteriormente, las aplicaciones de los
intercambiadores de calor son diversas y por cada proceso para el cual estén
diseñadas, reciben una denominación determinada. En este punto se mencionarán
los casos más empleados a bordo.
- Precalentador
- Radiador
- Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador)
- Generador de Agua Dulce (Evaporador/Condensador)
- Condensador de Vapor
- Precalentador:
A bordo nos podemos encontrar precalentadores en varias instalaciones,
generalmente para preparar la temperatura de agua de camisas de los motores
principales para reducir el choque térmico previo a la puesta en marcha o en
sistemas de vapor a gran escala que necesitan calentamiento en varias
etapas en lugar de un solo calentamiento para así aumentar la eficiencia del
sistema.
- Radiador: El radiador tiene como objetivo transferir calor a partir de un fluido térmico a otro fluido, esto no implica que necesariamente el intercambio debe ser de líquido a líquido sino que también se puede producir de aire a líquido o viceversa.
- Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador):
Todos los sistemas de aire acondicionado están conformados mínimo por dos
intercambiadores de calor; Un evaporador y un condensador, el líquido
refrigerante fluye por el intercambiador de calor, ya sea transfiriendo
calor o expeliendolo al medio frío.
- Generador
de Agua Dulce (Evaporador/Condensador): En los sistemas
de generación de agua dulce (evaporador-condensador) contamos
con dos intercambiadores de calor, un evaporador en la parte baja del sistema
donde se introduce el fluido a vaporizar (agua de mar) y un condensador en la
parte alta del sistema que condensa el vapor resultante del agua de mar
vaporizada.
- Condensador de Vapor: El condensador de
vapor en una instalación como puede ser la planta generadora de vapor de un
buque propulsado por turbinas es uno de los componentes más importante para el
aprovechamiento del agua técnica producida
DESCRIPCIÓN DEL CASO
Una empresa agrícola AGROFOODS S.A. dedicada al
procesamiento y envasado al vacío de alimentos para la venta y distribución, ha
decidido incrementar su producción en lo cual implica una nueva línea de lavado
de frutas con agua a una temperatura de 37.66°C evitando así el aumento del
crecimiento microbiano; así también uno de sus clientes ha pedido como
requerimiento implemente un sistema de saneamiento y limpieza de las
superficies en contacto con los alimentos, que debe aplicar la desinfección con
agua caliente a 70.84°C para garantizar la inocuidad de los alimentos en la
áreas de producción.
La Gerencia pide a los Ingenieros responsables de analizar
el problema, los cuales, han seleccionado un intercambiador invirtiendo en un
solo equipo se podría llegar a suministra agua en las 2 temperaturas deseadas.
La Gerencia aceptan la propuesta de los ingenieros que ahora
deben encontrar dicho intercambiador de calor que disminuya la temperatura de
90°C a 70,84°C del agua que viene por la red de tuberías de agua de la planta y
también incremente de 30°C a 37.66°C el agua que llega a la planta del
suministro potable y público, dicha labor incluirá el análisis y cálculos para
dimensionar y seleccionar el mejor equipo que se ajuste a las necesidades.
Esquema del intercambiador
Ficha técnica de
intercambiador
ESQUEMA
Y DATOS RELEVANTES
DATOS
- TEF: 30 °C
- TSF: 37,66 °C
- TSC: 70,84 °C
- MC: 1080,01 kg/h
- MF: 2711,89 kg/h
Objetivos
- A. Determinar calores específicos de las corrientes y la temperatura de entrada del fluido caliente.
- B. Determinar la variación media logarítmica.
- C. Determinar el coeficiente de conductividad de las corrientes y viscosidad dinámica.
- D. Determinar las dimensiones del intercambiador de calor y de su carcasa.
- E. Determinar el coeficiente de calor en el lado del tubo hi.
- F. Determinar las dimensiones de carcasa del intercambiador requeridas.
- G. Determinar el coeficiente de calor en el lado del tubo he.
- H. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor, área de intercambio y longitud.
Cálculos
OBJETIVO A:
OBJETIVO B:
Cálculo de diferencia de temperatura media logarítmica
contracorriente
Cálculo de diferencia de temperatura media MTO
Hallar gráficamente el
factor de corrección
Cálculo de calor intercambiado (q)
OBJETIVO C:
Cálculo del
coeficiente de conductividad térmica del fluido frío (kf)
Cálculo del coeficiente de conductividad térmica del fluido caliente (kc)
OBJETIVO D:
OBJETIVO E:
Hallar gráficamente el factor de transferencia de calor
OBJETIVO
F:
OBJETIVO G:
OBJETIVO H:
CONCLUSIONES
DEL EJERCICIO
A. Los calores específicos de la corriente
fría Cpf=4.178 KJ/Kg°C y caliente 4.206 KJ/Kg°C, la temperatura de entrada del
fluido caliente 90,20°C para alcanzar las temperaturas se salida requeridas.
B.
La diferencia de temperatura media
logarítmica de intercambiador contracorriente con factor de corrección
MTD=45,05°C y calor intercambiado q=24,43KW.
C.
Los coeficientes de conductividad de la
corriente fría kf=0,621 y kf=0670, viscosidad dinámica uf=0.00074 Kg/ms y
uc=0.00035 w/m°C y número de Prandtl Prf=4,96 y Prc=2,205.
D.
Las dimensiones de tubos del
intercambiador son Aint=2.56E-04 m2, At=1.28E-03 m2 y velocidad=0.59 m/s
E.
El coeficiente de calor en el lado del
tubo hi=3036.0 W/m2°C
F.
Las dimensiones de carcasa del
intercambiador son De=0.02743m, As=2.14E-03 m2 G=140.35 m/s.
G.
El coeficiente de calor en el lado del
tubo he=1717.4 W/m2°C
H.
El coeficiente global de transferencia de
calor U=747.78 w/m2°C, el área de intercambio es 0,72m2 y la longitud 1,081
CALCULOS EN EXCEL
VIDEO EXPLICATIVO
Bibliografía
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https://www.reporteroindustrial.com/temas/Fundamentos-de-transferencia-de-calor-y-propiedades-termodinamicas+108299
Leskow, E. C. (16 de
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pumascrid. (11 de
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https://es.scribd.com/doc/116407880/Metodo-de-Kern
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https://es.slideshare.net/acazro/operaciones-unitarias-30783593
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