Unidad III Intercambiadores de calor utilizados en el Laboratorio

Transferencia de calor

Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos oentre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conduccción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Tipos de intercambiador de calor de acuerdo al proceso de transferencia

Intercambiador de calor de contacto directo En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes y/o distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire.

Intercambiador de calor de contacto indirecto En los mecanismos de acción indirecta, no existe contacto directo entre los fluidos, no llegan a mezclarse. Se hallan separados por elementos sólidos, por un espacio e incluso, por un lapso de tiempo. El calor se transfiere por convección o conducción a través de la pared separadora. Los intercambiadores de calor de contacto indirecto pueden ser de tubos concéntricos o doble tubo, de coraza y tubos, de placas, compactos, regeneradores etc.

Flujo dentro de los intercambidores

Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las categorías que hay, son:

• Flujo paralelo
• Contraflujo
• Flujo cruzado

Flujo paralelo

Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa fluyen ambos en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir, que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta; tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.

Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

Flujo en Paralelo

Contraflujo

  Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos, ya que, el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente.

Flujo cruzado

En el intercambiador de calor de flujo cruzado, uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.

Intercambiadores utilizados en el laboratorio.

Los intercambiadores de calor, son equipos cuyo objetivo es realizar el proceso de calentar, enfriar, condensar o evaporar. Existe una gran variedad de ellos, sin embargo, sólo se estudiarán los relacionados con los equipos de tubos concéntricos, tanques enchaquetados, tanques con serpentín, haz de tubos y coraza e incluso, el intercambiador de placas. Todos se caracterizan porque ponen en contacto indirecto a través de una pared dos fluidos en los cuales se presenta un gradiente de temperatura.

El material óptimo que se emplea en las paredes de contacto entre fluidos es aquel con un alto coeficiente de conductividad térmica para disminuir el tiempo necesario de la operación, haciendo más eficiente al equipo. En la industria esto se refleja como costos de operación, los cuales dependen directamente del tiempo de operación, además del combustible o energía utilizada para lograr el gradiente deseado.

Imagen 3.1.3 Paneles solares en una nave industrial. Imagen recuperada de http://www.solaresenergia.mx/servicio-industrial/energia-renovable.html Agosto 20 de 2017

Es importante tomar en cuenta las propiedades químicas de los fluidos y las presiones a las que se trabajarán para el diseño del equipo, utilizando materiales industriales como vidrio, acero inoxidable, aluminio y aleaciones especiales.

3. Intercambiador de tubos concéntricos.

Objetivo

El objetivo de esta práctica es calentar agua como líquido de proceso y a partir de los datos experimentales que se proporcionen,  los alumnos determinarán teórica y experimentalmente el coeficiente global de transmisión de calor en un cambiador de tubos concéntricos, así como, su eficiencia térmica.

3.1.1 Principio de funcionamiento y aplicaciones.

Está conformado por dos tubos de diferentes diámetros uno dentro de otro, al espacio entre ambos se le denomina ánulo o sección anular, mientras que por ésta sección circula uno de los fluidos, por dentro del tubo interior, circula el otro fluido.

Imagen 3.1.1.1 Principio de funcionamiento de un intercambiador de calor.

Este tipo de intercambiadores manejan cantidades pequeñas de fluido, por lo cual  pueden trabajar a altas presiones y elevadas temperaturas debido a su gran resistencia mecánica.

Imagen 3.1.1.2 Fotografía del intercambiador de tubos concéntricos que se encuentra en el laboratorio de Operaciones Unitarias. Vista frontal.

3.1.2 Partes del equipo.

• Tubería: Acero galvanizado estándar cédula 40.
• Diámetros:  1 ¼” Tubo exterior, ½” Tubo interior
• Longitud 1.5m por paso

Se encuentra interconectado con:

• Un tanque atmosférico de 57cm  de diámetro interior con indicador de nivel como alimentación de agua fría.

• Un tanque atmosférico de 38.5cm de diámetro con indicador de nivel para la recepción del condensado frío.

• Un enfriador de serpentín de acero inoxidable tipo A-304 para subenfriar el condensado.

• Una bomba centrifuga de 1HP para el transporte desde el tanque de alimentación al intercambiador.

También se cuenta con las siguientes válvulas y accesorios para el control y medición:

• Válvula reductora de presión.

• Trampa de vapor tipo cubeta invertida.*

• Filtro para trampa de vapor *.

• 4 indicadores de temperatura electrónicos.

• Rotámetro con flotador de vidrio.

Imagen 3.1.1.5 Fotografía del intercambiador de tubos concéntricos que se encuentra en el laboratorio de Operaciones Unitarias. Vista posterior.

3.1.3 Modelos matemáticos para determinar el coeficiente global de transferencia.

Usualmente en las experimentaciones dentro del laboratorio es común que el líquido alcance el régimen turbulento (Re>10,000) para lo cual se utiliza la siguiente ecuación:

3.2 Intercambiador de Camisa y Serpentín.

Objetivo

El objetivo de esta práctica es estudiar la transmisión de calor a través de tanques con dos tipos diferentes de calentamiento: uno provisto de una chaqueta alrededor de él y el otro con un serpentín sumergido dentro del líquido a calentar. En ambos casos se trabajará en régimen permanente con agitación mecánica del líquido, de tal manera que, se obtengan datos suficientes para la comparación de la eficiencia de ambos equipos y determinar cuál de los dos tiene mejor transmisión de calor, comparando el valor de sus respectivos coeficientes globales.

3.2.1 Principio de funcionamiento y aplicaciones.

En este principio se pone un tanque dentro de otro, por el espacio que hay entre ambos se hace circular un fluido frío o caliente dependiendo si se quiere disminuir o aumentar la temperatura; a este tipo de arreglo se le llama enchaquetado o “camisa”,  por las características que tienen los intercambiadores pueden ser usados a alta presión, son económicos y generalmente utilizan un agitador para beneficiar la transferencia.

La disposición del serpentín, consiste en un tubo helicoidal colocado dentro del tanque con la sustancia que se desea enfriar o calentar. La transferencia se ve beneficiada, porque el área de contacto entre ambos fluidos es la totalidad del serpentín; estos intercambiadores también suelen usarse con un agitador como es el caso del de chaqueta.

Ambos intercambiadores son utilizados en la industria para el calentamiento de reactores, tanques de almacenamiento o el procesamiento por lotes.

Imagen 3.2.1 Fotografía de los intercambiadores de camisa y serpentín que se encuentran en el laboratorio de Operaciones Unitarias. Vista frontal

3.2.2 Partes del equipo.

Imagen 3.2.2.1 Intercambiador de camisa que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones Unitarias

Imagen 3.2.2.2 Esquema del intercambiador de camisa.

• Tanque: De placa de acero al carbón de ⅛” de espesor, con un diámetro interno de 37.5 cm y una altura de 70cm.
• Agitador: Tipo turbina de tres paletas, el diámetro del agitador es de 14cm y gira a una velocidad de 470 revoluciones por minuto.

El equipo está interconectado con:

• Un tanque atmosférico con medidor de nivel de vidrio para la alimentación del agua a los equipos.

• 2 tanques atmosféricos con indicadores de nivel de vidrio con un diametro de 28cm y capacidad de 20 litros para la recepción del condensado.

• 2 enfriadores de serpentín de acero inoxidable tipo A 304.

Válvulas y accesorios de control:

• 1 Válvula reductora de presión.

• 7 indicadores de temperatura.

• 2 manómetros de carátula tipo Bourdón 1 ½” ***

• 1 Válvula de seguridad.

• 2 trampas de vapor tipo cubeta invertida.

• 2 filtros para trampa de vapor.

• Rotámetro con flotador de vidrio.

Mostrar videos o diagramas de accesorios que son utilizados en los equipos hace más responsable al alumnado sobre el uso de los mismos, ya que, comprenden mejor cómo funcionan y las precauciones que deben tener.

Imagen 3.2.2.5 Intercambiador de Camisa y Serpentín que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones Unitarias. Vista posterior.

3.2.3 Modelos matemáticos para determinar el coeficiente global de transferencia.

Para simplificar las ecuaciones utilizadas en estos equipos, puede realizarse la siguiente analogía a partir de la imagen que se muestra a continuación:

Imagen 3.1.1.1 Principio de funcionamiento de un intercambiador de calor.

Relacionar la información con imágenes  facilita y aumenta la capacidad de análisis, de la misma manera,   permite manejar y procesar información nueva.

En la Unidad 2, se mostró el análisis del fenómeno de transferencia. En el caso del tanque con serpentín, se puede relacionar el tanque con el tubo externo, mientras que el serpentín se asemeja al tubo interno. Cabe destacar que el flujo de calor, se difunde desde el serpentín.

Para el tanque con enchaquetado, se puede relacionar la “chaqueta” con el tubo externo, mientras que el tanque se asemeja al tubo interno.

Por tanto, las ecuaciones a manejar son:

3.3 Intercambiador de tubos aletados.

Objetivo

El propósito de esta  práctica es identificar las partes del equipo y las líneas de servicio, de tal manera que, los estudiantes al hacerla logren enfriar con aire  agua previamente calentada. Durante la realización de la práctica los alumnos recolectarán algunos datos para que posteriormente con ellos realicen cálculos relacionados con la transferencia de calor; permitiéndoles hacer un análisis teórico-práctico en el  manejo de un intercambiador de tubos aletados.

3.3.1 Principio de funcionamiento y aplicaciones.

Conocido también como intercambiador de superficie extendida, consiste en el acoplamiento de piezas metálicas o aletas sobre la superficie del área de transferencia cuya finalidad es aumentar el área de contacto con uno de los fluidos (externo), provocando un incremento en la cantidad de calor transferido.

Lo anterior puede lograrse si existe una diferencia de temperaturas entre las aletas y el fluido que circula entre ellas para que exista la transferencia de calor; sin embargo, el modelo matemático que lo describe es un poco diferente al resto de los equipos, ya que existe a su vez, un gradiente de temperaturas desde la punta de la aleta hasta la unión con la superficie colindante entre ambos fluidos.

Este tipo de equipos se ven beneficiados si el fluido con el que se trabaja posee bajo coeficiente de película,  porque permiten que fluya el líquido con  mayor facilidad entre las aletas.

Imagen 3.3.1.1 Intercambiador de Tubos Aletados que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones Unitarias.Vista Frontal.

3.3.2 Partes del equipo.

Imagen 3.3.2.1 Esquema del tubo interior con extenciones metálicas llamadas aletas dispuestas de forma horizontal.

Tubos aletados: Doble paso, acero comercial, diámetro interior 0.03591m, diámetro exterior 0.04114m Tubo externo: Diámetro interior 0.072m Longitud: Por paso 1.856m Aletas: Acero comercial insertadas a lo largo del tubo interior, 24 aletas en cada paso, cuyas dimensiones son: 0.01231m de altura y 0.00139m de espesor. Salida de aire: 0.0525m de diámetro.

Dicho equipo se encuentra interconectado con:

• Un tanque atmosférico con medidor de nivel de vidrio para la alimentación del agua al equipo de precalentamiento.

• Un tanque atmosférico con medidor de nivel de vidrio para la alimentación del agua al equipo de tubos aletados.

• Un tanque atmosférico con indicadores de nivel de vidrio con un diametro de 28cm, capacidad para 20 litros, para la recepción de condensado.

• Un enfriador de serpentín de acero inoxidable tipo A 304.

• Un calentador de serpentín de acero inoxidable.

Válvulas y accesorios para el control y medición:

• Válvula reductora de presión.

• Trampa de vapor tipo cubeta invertida.*

• Filtro para trampa de vapor *.

• 4 indicadores de temperatura electrónicos.

• Filtro de aire

• Rotámetro con flotador de vidrio.

Imagen 3.3.2.2 Intercambiador de Tubos Aletados que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones Unitarias.Vista Posterior.

3.3.3 Modelos matemáticos para determinar el coeficiente global de transferencia.

3.4 Intercambiador de Tubos y Coraza. (Horizontal y vertical).

Objetivo

En esta práctica se tiene como fin estudiar la condensación de vapor de agua en un condensador vertical determinando su eficiencia, sirviendo como criterio el valor experimental del coeficiente global de transmisión de calor.

Como segundo objetivo se solicitará registrar las condiciones de operación en las que se realizó y sus correspondientes resultados para posteriormente comparar ambos intercambiadores.

3.4.1 Principio de funcionamiento y aplicaciones.

Se denominan condensadores, porque su principal aplicación es recuperar un producto en estado líquido, cuando originalmente se encuentra en fase vapor. El equipo estudiado en el laboratorio se encuentra en posición vertical y horizontal, en ambos casos, el vapor fluye por fuera de los tubos, a través de la envolvente, mientras que el fluido de enfriamiento circula por dentro del haz de tubos internos.

La posición de los tubos influye en la calidad del condensador, debido a la formación de la película; mientras que en el horizontal es homogénea y escurre en los tubos que se encuentran debajo, en el vertical, la película fluye a lo largo del tubo engrosando la capa inferior.

3.4.2 Partes del equipo.

3.4.3 Modelos matemáticos para determinar el coeficiente global de transferencia.

De manera muy semejante al intercambiador de tubos concéntricos, se tendrán las siguientes ecuaciones que en principio han de afectarse por el número de tubos y de acuerdo al arreglo:

3.5 Intercambiador de Placas.

Objetivo

En esta práctica se busca identificar  las partes del intercambiador de placas y su función, para que al ser operado este equipo por los alumnos,  reúnan datos experimentales y a partir de ellos  sustenten el mecanismo de transferencia utilizado a través de las placas en el intercambiador.

3.5.1 Principio de funcionamiento y aplicaciones.

El intercambiador de placas corresponde a los equipos de transferencia por contacto indirecto y se caracteriza porque la superficie de separación entre los fluidos es una pared plana. Son relativamente recientes y han reemplazado a los clásicos multitubulares en la mayoría de las aplicaciones debido a sus ventajas:

• Posee mayor área en el mismo espacio.

• Su gran flexibilidad permite aumentar o disminuir el área de transferencia agregando o quitando placas.

• Menor costo de mantenimiento y limpieza.

• Menor costo de adquisición.

• Presenta poca tendencia a incrustarse.

 Cabe mencionar que tiene algunas desventajas en comparación con los multitubulares:

• Mayor costo frente a intercambiadores de acero al carbón de tubo y coraza.

• Limitado para altas presiones.

• Las refacciones sólo se pueden conseguir con los fabricantes.

Imagen 3.5.1.1 Intercambiador de placas que se encuentra en el laboratorio de Operaciones Unitarias

3.5.2 Partes del equipo.

El equipo instalado es marca Vicarb modelo V8* y  está configurado para que una  mitad actúe como servicio de calentamiento utilizando vapor y la otra como servicio de enfriamiento usando agua para  asegurar una temperatura exacta. Consta de 70 placas divididas por una mampara, la cual permite que 37 placas operen como calentador y 33 como enfriador.

Imagen 3.5.1.5 Diagrama esquemático del Intercambiador de Placas que se encuentra en el laboratorio de Operaciones Unitarias.

3.5.3 Modelos matemáticos para determinar el coeficiente global de transferencia.

En las pruebas realizadas, se logra aumentar la temperatura desde 30°C a 60°C de una masa entre 110 y 120 kg de agua contenida en el tanque, en 7 u 8 minutos y restablecer su temperatura a 30° en un tiempo equivalente.

Se adjunta a continuación una hoja para que el alumno realice  anotaciones para el análisis de la transferencia de calor.

PDF Tablas de datos

Además se adjunta una tabla sugerida por el Ing. Juan Carlos para realizar un análisis entre los Intercambiadores de Tubos Concéntricos y el Intercambiador de Placas.

PDF Tabla tc VS icp