DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS PARA LA TORRE DE DESTILACIÓN EMPACADA DE LA PLANTA PILOTO DE LA FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA
DANIEL HERNÁN BELLO CASTAÑEDA
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2013
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS PARA LA TORRE DE DESTILACIÓN EMPACADA DE LA PLANTA PILOTO DE LA FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA
DANIEL HERNÁN BELLO CASTAÑEDA
TESIS DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO DE ALIMENTOS
PEDRO ALEJANDRO GARCÍA ÁVILA INGENIERO QUÍMICO
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2013
NOTA DE ACEPTACIร N: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________
____________________________________ Firma del director
____________________________________ Firma del jurado
____________________________________ Firma del jurado
Bogotรก D.C., __ de _____________ de 2013
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Dios, por permitir culminar esta gran etapa en mi vida, por darme la paciencia, el esfuerzo y la perseverancia para lograrlo. Con todo el cariño y amor este logro es para mis Padres Carlos Arturo y Blanca Stella, quienes con su entrega, dedicación y ejemplo, han formado en mí, una persona de bien, de buenos principios y buenos valores. A mis hermanos Lorena y Andrés, mi sobrino Juan David, quienes son y serán una motivación en todo lo que me proponga.
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar a Dios por permitir la culminación exitosa de este logro. A mis padres y hermanos, mi más profundo, sincero y emotivo agradecimiento, por todo lo inculcado y por todo el apoyo. Su amor, es la fuerza más grande que me impulsa a seguir adelante. A mis grandes amigos, Leonardo, Hector y Edwin, con quienes comparto años de sincera amistad, agradezco por brindarme su incondicional ayuda y motivación. Al Ingeniero Pedro Alejandro García Ávila, director del proyecto y docente de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia “UNIAGRARIA”, por la colaboración y dedicación que me brindó
durante todo el desarrollo de este proyecto de
investigación, así como sus valiosas orientaciones. A la Fundación Universitaria Agraria de Colombia y a todos sus entes por su colaboración en el desarrollo del proyecto. Finalmente a todas y cada una de las personas que estuvieron involucradas en todo este proceso de aprendizaje. ¡GRACIAS!
RESUMEN
Fue construido un intercambiador de calor que puede ser usado como condensador en una torre de destilación y como intercambiador de calor de planta piloto. Para ello se siguió una metodología que tuvo en cuenta datos básicos de geometría, ecuaciones de diseño y conceptos mecánicos. Se realizaron pruebas de destilación y de transferencia de calor. Las pruebas de destilación muestran el incremento en la concentración de los grados de alcohol de 30° a 92°. Las pruebas de transferencia de calor muestran una disminución en la temperatura del fluido caliente de 78°C a 35°C. Palabras clave: Transferencia de calor, destilación, torre de destilación, condensador. Intercambiador de calor de coraza y tubo.
ABSTRACT
Was constructed a heat exchanger which can be used as a condenser in a distillation tower and heat exchanger of pilot plant. To do this, was followed a methodology that to base on basic data of geometry, design equations, and mechanical concepts. Distillation tests and heat transfer were carried out. The Distillation tests show the increase in the concentration of alcohol grades from 30 째 to 92 째. The heat transfer tests show a decrease in hot fluid temperature of 78 째 C to 35 째 C. Keywords: heat transfer, distillation, distillation tower, condenser, Heat exchanger shell and tube.
TABLA DE CONTENIDO Pag. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 13 1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA ................................................................. 15 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................... 15 3. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 15 4. OBJETIVOS ....................................................................................................... 18 4.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................. 18 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................... 18 5. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 19 5.1. GENERALIDADES. ..................................................................................... 19 Tabla 1. Modos de transferencia de calor ....................................................... 21 5.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR. ........................................................... 22 5.3. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. ................ 22 Tabla 2. Clasificación de los intercambiadores de calor bajo diferentes criterios. .......................................................................................................... 23 Tabla 3 Especificaciones de algunos tipos de intercambiadores de calor. ..... 24 5.4. NORMAS Y ESPECIFICACIONES PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS. ....................................................................... 27 5.5. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS. ......................... 27 Tabla 4 Clase y nomenclatura de los intercambiadores de coraza y tubos según norma TEMA. ....................................................................................... 28 Tabla 6 Configuraciones de las corazas de un intercambiador de coraza y tubos. .............................................................................................................. 36 Tabla 7 Cabezales de entrada para un intercambiador de coraza y tubos. .... 38
Tabla 8 Parámetros de instalación, mantenimiento y materiales para el diseño de equipos. ..................................................................................................... 40 5.6. ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. ........................................................................................................................... 41 6. METODOLOGÍA ................................................................................................ 49 6.1. ESPECIFICACIÓN DE PROCESO ............................................................. 49 6.2. PARÁMETROS DEL DISEÑO TÉRMICO................................................. 50 6.3. PARÁMETROS DE DISEÑO MECÁNICO ................................................ 52 6.4. CONSTRUCCIÓN .................................................................................... 53 7.
RESULTADOS ............................................................................................... 54 7.1. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE DESTILACIÓN .............................. 54 Tabla 9 Prueba de calderín con termostato en temperatura media. ............... 54 Tabla 10 Prueba de calderín con termostato en temperatura alta .................. 54 Tabla 11 Condiciones para el diseño del intercambiador de la torre de destilación. ...................................................................................................... 55 7.2. PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS ........................................................................ 55 7.3. PARÁMETROS DE DISEÑO TÉRMICO................................................... 57 7.4. PARÁMETROS MECÁNICOS DEL INTERCAMBIADOR ......................... 60 7.5 CONSTRUCCIÓN ........................................................................................ 62 7.6. MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA........................................................ 66 7.7. PRUEBA DE DESTILACIÓN: ................................................................... 68 Tabla 12 . Datos prueba destilación ............................................................... 68 7.8. PRUEBA DE INTERCAMBIO DE CALOR ................................................ 69 Tabla 13 Resultados prueba de intercambio .................................................. 71
CONCLUSIONES .................................................................................................. 72 RECOMENDACIONES .......................................................................................... 73 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 74 MANUAL DE ENSAMBLE DEL INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS ...... 77 ANEXO 1 ............................................................................................................... 81 ANEXO 2 ............................................................................................................... 82 ANEXO 3 ............................................................................................................... 83 ANEXO 4 ............................................................................................................... 84 ANEXO 5 ............................................................................................................... 85 ANEXO 6 ............................................................................................................... 86
LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Modos de transferencia de calor .............................................................. 21 Tabla 2. Clasificación de los intercambiadores de calor bajo diferentes criterios. . 23 Tabla 3 Especificaciones de algunos tipos de intercambiadores de calor. ............ 24 Tabla 4 Clase y nomenclatura de los intercambiadores de coraza y tubos según norma TEMA. ......................................................................................................... 28 Tabla 5 Daños causados por las vibraciones en los tubos del intercambiador de coraza y tubos........................................................................................................ 33 Tabla 6 Configuraciones de las corazas de un intercambiador de coraza y tubos.36 Tabla 7 Cabezales de entrada para un intercambiador de coraza y tubos. ........... 37 Tabla 8 Parámetros de instalación, mantenimiento y materiales para el diseño de equipos. ................................................................................................................. 40 Tabla 9 Prueba de calderín con termostato en temperatura media. ...................... 54 Tabla 10 Prueba de calderín con termostato en temperatura alta ......................... 54 Tabla 11 Condiciones para el diseño del intercambiador de la torre de destilación. ............................................................................................................................... 55 Tabla 12 . Datos prueba destilación....................................................................... 68 Tabla 13 Resultados prueba de intercambio ......................................................... 71
LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1Intercambiador de calor de coraza y tubos. .............................................. 28 Figura 2 Codificación del tipo correspondiente al intercambiador de calor de coraza y tubos ................................................................................................................... 30 Figura 3 Tabla de datos de tubos para la construcción de condensadores e intercambiadores de calor ...................................................................................... 31 Figura 4 Configuración de los tubos de un intercambiador de calor de coraza y tubos ...................................................................................................................... 32 Figura 5. Placa deflectora del 25%. ....................................................................... 34 Figura 6 Placa deflectora con orificios. .................................................................. 34 Figura 7 Placa deflectora con disco y anillo. .......................................................... 35 Figura 8 Placa deflectora en forma de segmentos................................................. 35 Figura 9. Componentes de un intercambiador de calor de coraza y tubos. ........... 39 Figura 10
Perfiles de temperatura en un intercambiador para flujo a
contracorriente y en paralelo ................................................................................. 44 Figura 11 Ubicación de los tubos en la configuración triangular. ........................... 56 Figura 12 Placa tubular .......................................................................................... 63 Figura 13 Placas deflectoras.................................................................................. 63 Figura 14. Haz de tubos ......................................................................................... 64 Figura 15. Coraza .................................................................................................. 64 Figura 16. Cabezal................................................................................................. 65 Figura 17. Intercambiador de coraza y tubos ensamblado. ................................... 65 Figura 18. Intercambiador de calor acoplado a la torre de destilación. .................. 67 Figura 19 Prueba de intercambio de Calor ............................................................ 70
INTRODUCCIÓN
Para tener un mayor conocimiento y comprensión de los fenómenos físicos que nos rodean tanto en la vida cotidiana como en procesos industriales específicos, es necesario tener un acercamiento a éstos a través de la experiencia, es decir, involucrarse por medio de la elaboración, diseño y construcción de las herramientas y bases del problema a estudiar. Dentro de la ingeniería, los fenómenos relacionados con la transferencia de energía a través del calor son cada vez más estudiados, permitiendo obtener el conocimiento para optimizar procesos
o modificar equipos hacia la mejora
continua dentro de las industrias de alimentos, química, mecánica, entre otras. Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos de componentes y configuraciones del equipo. Debido a querer mejorar la eficiencia y las aplicaciones en los procesos de intercambio de calor, en la práctica se han diseñado intercambiadores de calor innovadores: intercambiador de calor de doble tubo, de coraza y tubos, de placas y armazón, compacto y regenerativo (Cengel & Ghajar, 2011). El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido mayor importancia ante la preocupación de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función(Industrias Clayton, 2008). La transferencia de energía en forma de calor es muy común en los procesos alimenticios y de otros tipos, generalmente suele ir acompañada de otras operaciones unitarias tales como, el secado, la destilación de alcohol o la evaporación (Geankoplis, 1998)
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En la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, a través de su programa de ingeniería de alimentos se ha acercado a los estudiantes a los fenómenos relacionados con la transferencia de calor por medio del estudio y aplicación dentro de las mismas instalaciones. El diseño de equipos como torres de destilación, osmo-deshidratadores, intercambiadores de calor, son ejemplos de la aplicación de los conocimientos afianzados en el programa, los cuales permiten a otros estudiantes reforzar su comprensión sobre el funcionamiento y proceso de los equipos, optimizando las herramientas de aprendizaje del programa de ingeniería de alimentos.
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1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA El programa de ingeniería de alimentos de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, no cuenta con un condensador para la torre de destilación de la planta piloto, ni un intercambiador de calor de planta piloto que permita a los estudiantes afianzar sus conocimientos teóricos de forma práctica. La transferencia de calor es un área de gran importancia en la industria de alimentos, se encuentra ligada con la mayoría de procesos dentro de la industria como cocción, enfriamiento, destilación entre otras operaciones unitarias Por lo anterior, es necesario que el programa cuente con equipos que permitan una mejor apreciación de los fenómenos relacionados al área como los intercambiadores de calor. 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo diseñar, construir e implementar un intercambiador de calor para una torre de destilación empacada en la Fundación Universitaria Agraria de Colombia? 3. JUSTIFICACIÓN La transferencia de energía en forma de calor es una de las operaciones más importantes que tienen lugar en la industria de alimentos, debido a que en procesos como la cocción, horneado, secado, congelación, refrigeración, pasterización entre otros, que hacen parte de la elaboración de la gran mayoría de los alimentos procesados, se involucra este fenómeno. De acuerdo a lo anterior, es necesario profundizar en el estudio de la transferencia de calor, para así poder experimentar y mejorar procesos efectivos, seguros y controlados. El estudio de la transferencia de calor es más fácil de comprender mediante una entera indagación de la naturaleza del calor. Sin embargo, ésta es una ventaja que no está disponible para estudiantes de transferencia de calor o termodinámica, ya
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que se han descubierto muchas manifestaciones del calor, lo que ha impedido que una teoría simple las cubra a todas ellas (Kern, 1999). Al aumentar el interés en la ingeniería por los aspectos energéticos, la aplicación de los intercambiadores de calor adquiere mayor importancia en la optimización del diseño de equipos en función de devolución de energía en un sistema, análisis caloríficos y recuperación económica de la inversión (Kreith & Bohn, 2001). Los intercambiadores de calor son ampliamente usados y fabricados en muchos tamaños, con varios arreglos de flujo y de diversos tipos; pueden operar en grandes caídas de presión y temperatura. La facilidad de fabricación y el costo relativamente bajo constituyen la principal razón para su empleo ilimitado en las aplicaciones de ingeniería (Montes, Ortega, Andrade, & Durango, 2006) Un proceso de ingeniería puede estudiarse de forma experimental o analítica, siendo la primera un procedimiento en el que se trabaja con el sistema físico real y la cantidad deseada por medición dentro de los límites del error experimental, sin embargo es un procedimiento de alto costo, tarda y la mayoría de veces impráctico. Por otro lado el procedimiento analítico es rápido económico, pero los resultados obtenidos están sujetos a la exactitud de las suposiciones e idealizaciones establecidas en el análisis (Cengel & Ghajar, 2011). Al realizar un estudio experimental de un fenómeno específico se le brinda al estudiante la posibilidad de acercarse al diseño, manejo, funcionamiento, análisis y mejoramiento del mismo en un momento dado dentro de la industria; del mismo modo permite seguir el análisis y experimentación a investigadores en potencia en el campo de aplicación. Un ejemplo claro del estudio de casos de la forma experimental, teniendo en cuenta las características mencionadas anteriormente, es el diseño y construcción de una torre de destilación empacada en la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, la cual se desarrolló con el fin de conocer a fondo procesos como la destilación, transferencia de calor, de masa y de
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movimiento, siendo éstos, procesos teóricos fundamentales en la ingeniería de alimentos (Mora & Porras, 2002). En consecuencia, para el programa de Ingeniería de Alimentos de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, es de gran beneficio la construcción de un intercambiador de calor de coraza y tubos, ya que es útil para el sistema de destilación de torre empacada diseñada, construida y montada en el año 2002 por Edwin Mora y Román Porras, cuyo fin es optimizar las herramientas y equipos para las prácticas de transferencia de calor.
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4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar, construir y realizar el montaje de un intercambiador de calor de coraza y tubos para la torre de destilación empacada de la planta piloto de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.
4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Dimensionar un intercambiador de calor de coraza y tubos para la torre de destilación empacada de la planta piloto de Fundación Universitaria Agraria de Colombia.
Construir un intercambiador de calor de coraza y tubos para la torre de destilación empacada de la planta piloto de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.
Realizar el montaje del intercambiador de calor en la planta piloto de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.
Comprobar el funcionamiento del intercambiador de calor de coraza y tubos a través de una prueba de destilación.
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5. MARCO TEÓRICO
5.1. GENERALIDADES. El calor siempre se ha percibido como algo que produce una sensación de tibieza y se puede llegar a pensar que su naturaleza es una de los primeros fenómenos comprendidos por la humanidad. A mediados del siglo XIX, gracias al desarrollo de la teoría cinética, en la cual se consideraba a las moléculas como bolas diminutas que están en movimiento y por lo tanto poseen energía cinética, se tuvo la primera comprensión física de la naturaleza del calor, por lo cual se definió como la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas (Cengel & Ghajar, 2011). La rama científica que se ocupa de la relación entre el calor y otras formas de energía se denomina termodinámica. Dentro de los principios que la rigen se encuentran la primera ley de la termodinámica, en la cual se establece que la energía no se crea ni se destruye, se transforma de una forma a otra. Otro principio bajo el que se rige es la segunda ley de la termodinámica, en la cual se imponen restricciones en la dirección de la transferencia de energía (Kreith & Bohn, 2001). En la naturaleza todas las actividades se relacionan con la interacción entre la energía y la materia. La termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida. Un sistema se define como la cantidad de materia o región en el espacio elegida para análisis. La región fuera del sistema se conoce como alrededor. La región y el alrededor se encuentran separados por una superficie real o imaginaria llamada frontera, la cual puede ser fija o móvil, aunque matemáticamente ésta no puede ocupar espacio o contener masa (Cengel & Boles, 2012).
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Los sistemas pueden ser cerrados o abiertos. El sistema cerrado consta de una cantidad fija de masa y no puede cruzar su frontera (masa de control), sin embargo la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera y el volumen del sistema no debe ser fijo. Un sistema abierto (volumen de control), es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con un flujo másico. Tanto la masa como la energía en forma de calor pueden cruzar las fronteras del volumen de control. La mayoría de problemas o fenómenos en ingeniería se modelan como volúmenes de control (Cengel & Boles, 2012). Siempre que existe un gradiente de temperatura entre dos sistemas en contacto se transfiere energía. El proceso mediante el cual se transporta la energía de una región a otra se conoce como transferencia de calor, éste no se mide ni observa de manera directa pero si los efectos que produce (Kreith & Bohn, 2001). La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética química y nuclear, cuya suma conforma la energía total de un sistema, ésta se denota por unidad de masa mediante e. La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas: calor y trabajo. El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos medios debido a una diferencia de temperatura. (Cengel & Boles, 2012). Desde un punto de vista físico existen dos modos de transferencia de calor: conducción y radiación, sin embargo el flujo de una sustancia tiene influencia dominante sobre la conducción local, llevando a cabo la convección (Tabla 1) (Borgnakke & Sonntag, 2006):
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Tabla 1. Modos de transferencia de calor MODO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
DESCRIPCIÓN
Conducción
Se realiza mediante interacciones entre átomos, moléculas y electrones, por lo cual depende de la estructura del acomodo másico de una sustancia. Por sus pequeñas distancias interatómicas y enlaces relativamente fuertes, los sólidos y líquidos presentan la mayor capacidad para conducir energía, siendo los metales los mejores conductores debido a la gran movilidad de sus electrones. Por otro lado, los gases poseen distancias intermoleculares grandes y las interacciones y fuerzas entre moléculas son débiles (Borgnakke & Sonntag, 2006).
Convección
Se compone por la transferencia de energía generada por el movimiento molecular, modo conductivo y la transferencia de energía mediante el movimiento macroscópico de facciones de fluido, integrada por moléculas que se mueven por la acción de una fuerza externa, la cual puede generarse por dos tipos: natural, resultado de una gradiente de de densidad, o forzada, resultado de una diferencia de presión generada por una bomba, ventilador o combinación de ambos (Kreith & Bohn, 2001).
Radiación
Es el transporte de energía por ondas electromagnéticas, el cual se realiza a todas las longitudes de onda y su distribución depende de la temperatura de la fuente, la cual para temperaturas moderadas, frío a tibio, presenta la mayor parte del flujo en el rango invisible para el ojo humano (infrarrojo), mientras que para mayores temperaturas una fracción más grande de energía se transmite en la parte visible del espectro (luz solar) (Borgnakke & Sonntag, 2006).
Fuente: Autor No obstante los mecanismos básicos de transferencia de calor no actúan por separado únicamente, en la aplicación puede existir una transferencia de calor con varios de los mecanismos en forma simultánea: sistema de transferencia de calor combinado (Kreith & Bohn, 2001):
Paredes planas en serie y en paralelo: si el calor se transfiere a través de varias paredes planas con un buen contacto térmico, como en una pared de varias capas de un edificio, la razón de conducción de calor es la misma a través de todas las secciones, sin embargo, hay que tener en cuenta las temperaturas superficiales de ambos lados.
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Convección y conducción en serie: se aplica en la transferencia de calor entre dos fluidos con temperaturas determinadas separados por una pared. En este caso las temperaturas superficiales se calculan mediante los coeficientes de transferencia de calor por convección en ambos lados de la pared.
Convección y radiación en paralelo: se presenta cuando una superficie transfiere o recibe energía por convección y radiación al mismo tiempo.
5.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR. Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin ser mezclados. Se usan ampliamente en varias industrias y su diseño es variado. Por lo general los intercambiadores de calor no tienen que ver con interacciones de trabajo y los cambios de energía cinética y potencial son insignificantes para cada corriente de fluido (Cengel & Boles, 2012). Cuando se instala un intercambiador de calor en un sistema, se requiere de una caída de temperatura, la cual puede reducirse utilizando un mecanismo más grande, pero con un mayor costo. Por tal razón, al realizar el diseño del equipo es importante tener en cuenta aspectos económicos además de las demandas de potencia de bombeo y economía del sistema (Kreith & Bohn, 2001). En algunas aplicaciones, el tamaño y el peso del intercambiador de calor son de gran relevancia, especialmente en los casos donde uno o ambos fluidos son gaseosos, ya que los coeficientes de transferencia de calor en el lado del gas son pequeños lo que provoca que se requieran áreas grandes para la transferencia de calor (Kreith & Bohn, 2001).
5.3. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. Existen diferentes tipos o criterios para clasificar los intercambiadores de calor: según su función, su configuración, su construcción entre otros (Tabla 2):
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Tabla 2. Clasificación de los intercambiadores de calor bajo diferentes criterios. CLASIFICACIÓN
TIPOS
ESPECIFICACIÓN
Periódica [operan con flujo y temperatura que varían con el tiempo].
Regenerativos (cerrados).
Permanente [operan con flujo y temperatura estacionario].
Contacto directo o abiertos.
Según su operación
Recuperativos (cerrados). Según el tipo de contacto que se establece entre ambos
Contacto directo o abiertos. De superficie y tubulares o convectivos.
fluidos.
Según el tipo de proceso que ocurre en uno de los fluidos.
Calentadores Enfriadores Evaporadores Condensadores Refrigeradores Rehervidor Sobrecalentador
Según la disposición de los flujos en ambos fluidos.
Flujo paralelo en corriente Flujo paralelo en contracorriente Flujo cruzado Flujo mixto o combinado
coraza – haz de tubos Según el tipo de
Enfriadores de aire Doble tubo
construcción
Serpentín (espiral) Superficie raspadora Torres de enfriamiento
Fuente:
(Garcia & Soto, 2003)
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De acuerdo a la anterior clasificación de los intercambiadores de calor bajo los diferentes criterios descritos, a continuación se profundiza en algunos de ellos (Tabla 3): Tabla 3 Especificaciones de algunos tipos de intercambiadores de calor. ESPECIFICACIONES DE ALGUNOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Según su operación
Intercambiadores de un solo paso (o paso simple)
Intercambiadores de múltiple pasos.
Se caracteriza porque el fluido sólo intercambia calor una vez, por lo cual se denomina intercambiador de paso simple o de un solo paso. Este tipo de intercambiador transfiere calor más de una vez, generalmente invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador. Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo).
Intercambiadores Regenerativos
Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido caliente del sistema se remueve del proceso principal y es integrado posteriormente al sistema. El fluido que es removido del proceso principal contiene energía, la cual se usa para regenerar el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío, mejorando la eficacia del intercambiador.
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Según la disposición de los flujos en ambos fluidos.
No regenerativos
Flujo paralelo.
Contraflujo
En los intercambiadores no regenerativos, el fluido con mayor temperatura es enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía removida, no es regresada al sistema.
Se caracteriza porque el flujo interno y el flujo externo fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo presentando una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, un fluido disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. En este tipo de intercambiadores, tanto el flujo interno como el externo fluyen en sentido opuesto, es decir, cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos, donde el fluido con menor temperatura sale en contraflujo en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador
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Flujo cruzado
Según su construcción
Coraza y tubo
Fuente:
Plato
Se caracteriza por que uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, es decir, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90°. Generalmente es usado cuando un fluido presenta cambio de fase. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado coraza. El flujo de fluido dentro de los tubos se denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de coraza o fluido externo.
El intercambiador de calor de tipo plato, consiste de un conjunto de placas para separar a los dos fluidos (caliente y frío). Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Este tipo de intercambiador es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de coraza, sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no es utilizado extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Gracias a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas.
(Jaramillo, 2007).
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5.4. NORMAS Y ESPECIFICACIONES PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS. En la segunda edición de La Norma API-660 de diciembre 1973, denominada "Intercambiadores de Calor para uso general en Refinerías", se específica el diseño, construcción y control de proyecto para intercambiadores de coraza y haz de tubos, incluyendo el uso de las Hojas de Especificaciones. Esta edición de la norma API-660, es una revisión que ajusta aún más la norma y está orientada hacia la construcción bajo normas TEMA-R (Mendoza E. , 2003). La norma TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) fue creada por el comité técnico de la organización TEMA denominada en español como Norma de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares para recopilar toda información referente a la metodología de diseño, construcción y elementos relacionados con este tipo de intercambiadores (Tubular Exchanger Manufacturers Association INC, 1999).
5.5. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS. Los intercambiadores de calor de coraza y tubos son usados extensivamente en los procesos industriales debido a su básica construcción y diseño lo cual hace más fácil la práctica de la ingeniería (Edwards, 2008). Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio (Ilustración 1), generalmente asociadas a caudales mucho mayores de lo que puede manejar un intercambiador de doble tubo, debido a que éstos requieren una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descritos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor (Industrias Clayton, 2008).
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Figura 1 Intercambiador de calor de coraza y tubos.
Fuente: (Holman, 1998)
La norma TEMA estandariza tres clases de intercambiadores de calor de coraza y tubos. Por otro lado, denomina una nomenclatura aplicada por esta asociación para designar a las diferentes clases de intercambiadores de coraza y tubos, actualmente es de uso común a nivel industrial (Tabla 4), la cual consiste en una combinación de números y letras que permite a simple vista reconocer el tamaño y construcción de un intercambiador determinado (Mendoza E. , 2003): Tabla 4 Clase y nomenclatura de los intercambiadores de coraza y tubos según norma TEMA.
CLASE
CLASE Y NOMENCLATURA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBOS (TEMA)
Clase “R”
La cual es parte de la norma API-660, está orientada a los requerimientos muy severos de la industria petrolera y aplicaciones de proceso. Esta clase debe ser seleccionada donde la durabilidad y seguridad son los factores más importantes.
Clase “C”
Está diseñada para cubrir los requerimientos de aplicaciones de procesos comerciales generales. Los equipos fabricados bajo esta sección están diseñados para máxima economía, son compactos y consistentes con los requerimientos de operación y seguridad de tales aplicaciones.
Clase “B”
Es una clase intermedia ideada para aplicaciones en la industria química. Es más exigente que la clase "C" pero menos que la clase "R".
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NOMENCLATURA
Primer grupo de números
Indican el diámetro interno de la coraza, o el diámetro de la tapa y el diámetro interno de la coraza para rehervidores tipo marmita, redondeado al entero más cercano, en pulgadas.
Segundo grupo de números
Indican la longitud total de los tubos, incluyendo el haz tubular, para tubos rectos, o el largo de los tubos desde un extremo a la tangente de la U para tubos doblados, redondeado al entero más cercano, en pulgadas.
Primera letra
Describe el tipo de cabezal fijo.
Segunda letra
Describe el tipo de coraza.
Tercera letra
Describe el tipo de construcción del cabezal posterior.
Fuente: (Mendoza E. , 2003). Para una mayor comprensión de la anterior descripción de la norma TEMA se puede tomar como ejemplo: TAMAÑO 23 - 192 TIPO AES, donde se describe un intercambiador de coraza y haz de tubos de paso sencillo, con haz de tubos removible, con un cabezal flotante asegurado por un anillo deslizante. La coraza es de 23 pulgadas de diámetro y los tubos son de 192 pulgadas de largo (Mendoza E. , 2003). Los anteriores estándares se determinan con el fin de lograr la construcción mecánica, la especificación del diseño, fabricación e identificación de materiales a emplear en los intercambiadores de coraza y tubos para ser aplicados con las siguientes limitaciones, restringiendo el diámetro de los pernos utilizados en el ensamblaje del equipo y el espesor de la coraza a 50,8 mm aproximadamente (González, 2002): • Diámetro interno de la coraza ≤ 1.524 mm (60 in) • Presión ≤ 207 bar (3.000 psi) • Relación (diámetro interno coraza)*(presión) ≤ 105.000 mm bar (60.000 in psi). La codificación de las letras de la nomenclatura establecidas por el TEMA se determina de acuerdo con los tipos de cabezal, coraza y construcción del cabezal (Figura 2):
29
Figura 2 Codificaci贸n del tipo correspondiente al intercambiador de calor de coraza y tubos
Fuente: (Chemical Enginering Progress, 1998). 5.5.1. TUBOS Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa. Se encuentran disponibles en varios metales como: acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30
30
cobre-níquel, aluminio-bronce, aceros inoxidables, etc. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared, definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se refiere como el calibrador BWG del tubo (los tubos de 3/4 y 1 pulgada de diámetro exterior son los más comunes en el diseño de intercambiadores de calor) (González, 2002). Figura 3 Tabla de datos de tubos para la construcción de condensadores e intercambiadores de calor Tamaño Sección nominal Diámetro N° Espesor Diámetro transversal de exterior Catalog pared interior de metal tubería cm o cm cm cm2 Pulg 1/8
1,029
1/4
1,372
3/8
1,715
1/2
2,134
3/4
2,667
1
3,340
1 1/4
4,216
1 1/2
4,826
2
6,033
2 1/2
7,303
3
8,890
3 1/2
10,16
14,13
Circunferencia m, 0 Capacidad para la Peso superficie m2/m de velocidad tubería longitud de 1 m/s Kg/m Exterior Interior L/m
40
0,173
0,683
0,465
0,00372
0,0323
0,0215
2,198
0,36
80
0,241
0,546
0,6
0,00232
0,0323
0,0172
1,403
0,46
40
0,224
0,925
0,806
0,00669
0,0430
0,0290
4,032
0,63
80
0,302
0,767
1,013
0,00465
0,0430
0,0241
2,772
0,8
40
0,231
1,252
1,077
0,01236
0,0540
0,0393
7,387
0,85
80
0,320
1,074
1,4
0,00910
0,0540
0,0338
5,436
1,1
40
0,277
1,580
1,613
0,01960
0,0671
0,0497
11,760
1,27
80
0,373
1,387
2,065
0,01514
0,0671
0,0436
9,066
1,62
40
0,287
2,093
2,148
0,03447
0,0838
0,0658
20,640
1,68
80
0,391
1,885
2,794
0,02787
0,0838
0,0391
16,740
2,19
40
0,338
2,664
3,187
0,05574
0,1049
0,0838
33,440
2,5
80
0,455
2,431
4,123
0,04636
0,1049
0,0762
27,830
3,23
40
0,356
3,505
4,310
0,09662
0,1326
0,1100
57,890
3,38
80
0,485
3,246
5,684
0,08277
0,1326
0,1021
49,650
4,47
40
0,368
4,089
5,161
0,13136
0,1515
0,1283
78,790
4,05
80
0,508
3,810
6,897
0,11380
0,1515
0,1198
68,410
5,4
40
0,391
5,250
6,935
0,21646
0,1896
0,1649
129,900
5,43
80
0,554
4,925
9,529
0,19045
0,1896
0,1548
114,300
7,47
40
0,516
6,271
10,99
0,30861
0,2295
0,2054
185,300
8,62
80
0,701
5,900
14,54
0,27331
0,2295
0,1853
164,000
11,4
40
0,549
7,793
14,37
0,47658
0,2792
0,2448
286,200
11,28
80
0,762
7,366
19,46
0,42613
0,2792
0,2313
255,700
15,25
40
0,574
9,012
17,29
0,63822
0,3191
0,2832
382,700
13,56
80
0,808
4 11,43 40 1998) 0,602 Fuente: (Geankoplis, 5
Área de sección interior dm2
8,545
23,73
0,57319
0,3191
0,2685
344,100
18,62
10,226
20,45
0,82124
0,3591
0,3213
492,800
16,06 22,29
80
0,856
9,718
28,45
0,74190
0,3591
0,3054
445,000
40
0,655
12,819
27,74
1,29131
0,4438
0,4026
774,400
80
0,953
12,225
39,42
1,1733
0,4438
0,3841
704,300
21,76 Los tubos se disponen según una ordenación triangular, cuadrada, o cuadrada 30,92
6 16,83 4). 40 0,711 el 15,405 36,00 0,5285 tendencia 0,4840 1118 28,23 rotada (Figura Cuando lado de la coraza1,8636 tiene gran a ensuciarse 80
1,097
14,633
54,19
1,6815
0,5285
0,4596
1009
42,52
no 8se utiliza la disposición ya que los espacios tubos 1937 son de difícil 21,91 40 0,818 triangular, 20,272 54,17 3,2274 0,6882entre 0,6367 42,49 1,270 82,32 2,9459 0,6882 0,6084 64,57 acceso, lo cual no80sucede en19,368 la disposición cuadrada, que a su vez 1768 provoca una 10
27,31
40
0,927
25,451
76,84
5,0863
0,8577
0,7986
3053
60,24
80
1,509
24,287
122,3
4,5688
0,8577
0,7629
2780
95,84
31
menor caída de presión en el lado de la coraza que la disposición triangular(Industrias Clayton, 2008). Figura 4 Configuración de los tubos de un intercambiador de calor de coraza y tubos
Fuente: (Industrias Clayton, 2008). Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmente el cabezal de tubos. El espaciado de los tubos PT es la distancia menor de centro a centro en tubos adyacentes. Los espaciados (PT) más comunes para arreglos cuadrados con tubos de ¾” pulgada Diámetro Exterior, son de 1” entre centros. Para arreglos triangulares con tubos de ¾” Diámetro Exterior es de 15/16”. (Kern, 1999) Los tubos se encuentran soportados en sus extremos por placas tubulares y en posiciones intermedias por bafles. Cada sección de un tubo, comprendido entre dos soportes, constituye un elemento flexible que puede vibrar igual que las cuerdas de un instrumento musical. Tal vibración tiene una frecuencia que depende de la masa propia del tubo y la masa y velocidad del fluido que fluye en el interior. La amplitud de estas vibraciones pueden provocar daños a los tubos (Tabla 5) (Cao, 2009) 32
Tabla 5 Daños causados por las vibraciones en los tubos del intercambiador de coraza y tubos.
Daño por colisión
Golpes entre los tubos producidos como consecuencia de la vibración de éstos. Se produce un aplastamiento del tubo aproximadamente en la zona media entre soportaciones. Eventualmente puede producirse también desgaste de las paredes que puede conducir la rotura.
Daño por bafle
La vibración de los tubos puede provocar impacto contra el agujero del baffle causando debilitamiento y desgaste de la pared del tubo en forma circunferencial en una longitud similar al espesor del baffle.
Efectos en el empotramiento de la placa tubular
La vibración provoca que los esfuerzos de tensión sea máxima en la zona en el que el tubo emerge de la placa contribuyendo a posible rotura.
Propagación de defectos del material
Ciertas amplitudes de vibración pueden potenciar la propagación de fisuras que pudieran existir en algún tubo con defectos de fabricación.
Vibración acústica
Se encuentra en intercambiadores con gas en la coraza, y se produce por las vibraciones de una columna de gas que en determinadas condiciones puede provocar ruido.
Fuente: (Cao, 2004)
5.5.2. PLACAS DEFLECTORAS Son discos circulares de una plancha metálica, cortados de forma que la altura de este segmento sea igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza, por lo que se denominan placas del 25% (Figura 5). Éstas se encuentran perforadas para recibir los tubos. Las holguras entre las placas y la coraza, y entre las placas y los tubos deben ser pequeñas para evitar fugas o hacer que estas sean mínimas (Industrias Clayton, 2008).
33
Figura 5. Placa deflectora del 25%.
Fuente: (Kern, 1999) La placa de tubos además de cumplir con los requerimientos mecánicos, debe soportar el ataque corrosivo por parte de ambos fluidos y debe ser químicamente compatible con el material de los tubos. Por lo general están hechas de acero de bajo carbono con una capa delgada de aleación metalúrgica anticorrosiva (González, 2002). Las placas deflectoras pueden disponerse como: discos con orificios (Figura 6), discos con un anillo de menor diámetro y orificios (Figura 7), o discos conformados por segmentos (Figura 8): Figura 6 Placa deflectora con orificios.
Fuente: (Industrias Clayton, 2008).
34
Figura 7 Placa deflectora con disco y anillo.
Fuente: (Industrias Clayton, 2008). Figura 8 Placa deflectora en forma de segmentos.
Fuente: (Industrias Clayton, 2008). Las juntas de los tubos constituyen los puntos mรกs probables de goteo de un fluido a otro y, en algunos casos, este goteo puede contaminar el proceso completamente. Una soluciรณn a este problema consiste en colocar una placa de tubos doble con la separaciรณn entre ellas abierta a la atmรณsfera, de manera que se detecte un derrame de cualquiera de los fluidos (Figura 8) (Gonzรกlez, 2002).
35
5.5.3. CORAZA La coraza es el recipiente para el fluido externo. Es de sección transversal circular, generalmente de acero de bajo carbono aunque pueden construirse de otras aleaciones, especialmente, cuando se debe cumplir con requerimientos de altas temperaturas o corrosión. Posee unas boquillas que constituyen las vías de entrada y salida del fluido: la boquilla de entrada por lo general tiene una placa de impacto para impedir que el flujo pegue directamente a altas velocidades en la hilera superior de los tubos (el impacto podría causar erosión, cavitación y/o vibración). Para colocar esta placa y no reducir considerablemente el área de flujo a la entrada de la coraza, puede que sea necesario omitir algunos tubos o tener una expansión en la boquilla donde se une a la coraza para evitar una caída de presión excesiva (González, 2002). De acuerdo a las normas TEMA, existen 6 configuraciones estandarizadas de coraza: E, F, G, H, J y X; las cuales son aplicables a cualquier tipo de intercambiador (Tabla 6). Tabla 6 Configuraciones de las corazas de un intercambiador de coraza y tubos.
CONFIGURACIÓN DE CORAZA
Configuración E
Configuración F
DESCRIPCIÓN Las boquillas de entrada y salida están ubicadas en extremos opuestos o adyacentes de la coraza, dependiendo del tipo y número de deflectores empleados. Se puede decir que es el más económico y eficiente térmicamente. Las boquillas de entrada y salida están adyacentes a la placa de tubos fija. Los tubos de cada paso se disponen en forma simétrica en relación con el deflector longitudinal. No se recomienda cuando la caída de presión excede los 70 KPa (se requiere un deflector longitudinal de espesor excesivo). De igual forma no se recomienda cuando la temperatura es superior a 195°C, ya que se producen grandes pérdidas de calor a través de los deflectores, así como tensiones
36
IMAGEN
térmicas elevadas en éstos, de tubos.
Configuración G
coraza y placa
Es usada cuando se requiere de dos pasos y la caída de presión es un factor limitante.
Es equivalente a dos tipo G en paralelo, pero unidas por los extremos. Configuración H
Configuración J
Configuración X
Utilizado cuando la caída de presión se limita en el lado de la coraza, ya que la mitad del fluido del lado de la coraza atraviesa la misma área transversal de la configuración E y sólo la mitad de la longitud del intercambiador. Esta coraza tiene una boquilla central de entrada y dos de salida, o viceversa. Generalmente se emplean deflectores de segmento doble en este tipo de coraza. Este tipo de coraza no tiene deflectores segmentados, por lo que el fluido atraviesa una vez al haz de tubos y la caída de presión es aún menor que en el tipo J. Esta coraza posee soportes circulares que eliminan las vibraciones inducidas por el fluido en los tubos.
Fuente: (González, 2002)
5.5.4. CABEZAL DE ENTRADA Es la parte del intercambiador que permite la distribución del fluido que fluye dentro de los tubos. La selección del cabezal depende de la facilidad de acceso a los tubos que se requiera y de las direcciones de acometida de las cañerías. (Cao, Transferencia de calor en ingeniería de procesos, 2004). A continuación se hace una breve descripción de los cabezales de entrada con configuraciones A, C, N y D, de acuerdo a las normas TEMA, y su empleo según la función del intercambiador de calor (Tabla 7):
37
Tabla 7 Cabezales de entrada para un intercambiador de coraza y tubos. DESCRIPCIÓN
CONFIGURACIÓN DE CABEZAL
Configuración A
Son ductos cilíndricos con bridas a ambos extremos. Se utiliza cuando el proceso requiere una limpieza frecuente de los tubos. Es el más común entre los cabezales fijos, empleado con placa de tubos fija, tubos en U y banco de tubos removible.
Configuración B
Es un barril con fondo en forma de sombrero, posee una brida al otro lado que permite el atornillado a la placa de los tubos o a la coraza. Es removible, permitiendo un acceso directo al haz de tubos una vez desconectadas las tuberías externas de las boquillas del cabezal. Utilizado cuando la limpieza interna de los tubos no es frecuente. Empleado con placa de tubos fija, tubos en U, banco de tubos y coraza removible.
Configuración C
Configuración N
Configuración D
Solo posee un extremo con bridas, atornilladas a una cubierta plana; el otro extremo está soldado a la placa de los tubos o coraza. El haz de tubos no puede ser extraído, debido a que éstos forman una unidad con la canal. Son seleccionados para servicios con altas presiones y/o fluidos letales, dado que poseen un mínimo de juntas externas. Se emplea en bancos de tubos removible y en diseños de placa de tubos fijos.
Utilizado especialmente para servicios a alta presión (presiones superiores a 1000 psi).
Fuente: (González, 2002)
38
IMAGEN
5.5.5. COMPONENTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS. Un intercambiador de calor de coraza y tubos se compone de bafles, placas deflectoras, coraza, tubos y cabezales; sin embargo se puede hacer una descripción más detallada de sus componentes (Figura 9): Figura 9. Componentes de un intercambiador de calor de coraza y tubos.
Fuente: (Mendoza E. , 2003).
Componentes: 1. Cabezal anterior o fijo.
13. Bridas
2. Brida del cabezal.
de
la
coraza
extremo
cabezal posterior.
3. Tapa de cámara.
14. Boquillas de la coraza.
4. Boquilla de cámara.
15. Placa tubular flotante.
5. Placa de partición.
16. Bridas de las tapas del cuerpo.
6. Conexión para instrumentos.
17. Bridas del cabezal flotante.
7. Oreja de levantamiento.
18. Placa del cabezal flotante.
8. Placa de tubular.
19. Tirantes y distanciadores.
9. Tubos.
20. Desviadores de choque.
10. Tapa de la coraza.
21. Placas de desvío transversales.
11. Coraza.
22. Conexión para venteo.
12. Bridas
de
la
coraza
extremo
23. Conexión para drenaje.
cabezal fijo.
24. Soportes de montaje.
39
5.5.6 INSTALACIÓN, MANTENIMIENTO Y MATERIALES PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS. Para el óptimo funcionamiento de equipo, es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros en cuanto a instalación, mantenimiento y materiales (Tabla 8): Tabla 8 Parámetros de instalación, mantenimiento y materiales para el diseño de equipos. PARÁMETRO
Instalaciones
Mantenimiento
Materiales
DESCRIPCIÓN El procedimiento de conexión de los múltiples accesorios, debe estar estrictamente de acuerdo con las prácticas aceptadas para el servicio de que se trata. Las tuberías recorren su trayecto en alineamiento, de manera que no sea necesario distorsionarla o forzarla para lograr el ajuste de accesorios. En trayectos largos, se instalan soportes, situados en tal forma que releven a la tubería de todo peso. Donde existen variaciones apreciables de temperatura, se deben proporcionar los medios para absorber la expansión y contracción de la instalación. Es importante reducir al mínimo las uniones, ya que cada juntura es una posibilidad de escapes. Las tuberías y aditamentos de las instalaciones necesitan de un mantenimiento programado. Se efectuaran previsiones periódicas a fin de detectar escapes. Las partes oxidadas deben limpiarse con cepillo de acero y cubrirlos con pintura anticorrosiva. Es conveniente velar por el sello hermético de los empaques de las tapas, válvulas uniones y bridas. La tubería para vapor debe mantenerse protegida y aislada del medio ambiente a fin de mantener el fluido circulante con toda su capacidad de trabajo. Cuidar de que el cierre de las válvulas sea perfecto. El conocimiento de los tipos de materiales utilizados en la fabricación de las diferentes maquinarias y equipos de la industria de alimentos brindan una mejor comprensión de la importancia que tiene el relacionar, evaluar y seleccionar cada uno de ellos de acuerdo con la naturaleza de la materia prima y el principio ingenieril que rige cada proceso. Para la elección del material más adecuado se tiene en cuenta: -Resistencia a la corrosión: hay que experimentar la resistencia a la corrosión en condiciones de temperatura y de aireación o similares a las que existen en la práctica. Es necesario tener en cuenta simultáneamente la presencia de la corrosión en los aparatos, así como las impurezas que puedan llevar los productos tratados. En la industria alimentaria es de vital importancia el estudio de la resistencia a los agentes empleados en la limpieza de maquinaria y equipo. -Propiedades mecánicas: se elige una materia cuya resistencia a la tracción, a la compresión, al choque, y cuya elasticidad estén de conformidad con las que se van a exigir a la pieza considerada. -Características terminadas: la trasmisión de calor tiene una importancia fundamental. Los coeficientes de transmisión de los materiales son a menudo
40
menos limitantes que aquellos que tienen relación con el paso del calor entre los fluidos y las paredes. -limpieza y desinfección: El material, diseño, acabado e instalación de los equipos y utensilios deberán permitir la fácil limpieza, desinfección y mantenimiento higiénico de los mismos y de las áreas adyacentes. Tanto los equipos como los utensilios se mantendrán en buen estado de higiene y conservación y se desinfectar cuantas veces sea necesario para evitar problemas higiénico sanitarios. -Otras propiedades: resistencia a la abrasión, tendencia a la tracción, rápido envejecimiento, posibilidad de reparaciones. El Acero inoxidable es el metal ideal en la construcción de equipos para la industria de alimentos. Es fácil de limpiar y resiste a la acción de los alimentos y materiales de limpieza. No es recomendable para tanques de preparación de salmueras, debido a que el cloruro de sodio lo daña. El acero inoxidable ordinario contiene el 18 por 100 de cromo y el 8 por 100 de níquel. Su contenido de carbono es muy pequeño, <0,1 por 100, a veces se adicionan pequeñas cantidades de otros metales como el titanio o el manganeso, su función es inmovilizar al carbono..
Fuente: (Oviedo, 2001).
5.6. ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. 5.6.1. LEY DE FOURIER Los tres tipos principales de procesos de velocidad de transferencia -transferencia de momento lineal, transferencia de calor y transferencia de masa- están caracterizados en su aspecto más fundamental por el mismo tipo de ecuación básica:
Esta igualdad establece un principio que ya se conocía de manera intuitiva: para que se pueda transferir una propiedad como el calor o la masa, es necesario que exista una fuerza impulsora que contrarreste la resistencia. La transferencia de calor por conducción también obedece esta ecuación básica y se expresa como la ley de Fourier para la conducción de calor en fluidos y sólidos. La relación básica del flujo de calor por conducción es la proporcionalidad existente entre la velocidad de flujo de calor a través de una superficie y el gradiente de temperatura existente en dicha superficie. Esta generalización, que
41
es aplicable a cualquier lugar del cuerpo y en cualquier instante, recibe el nombre de ley de Fourier, y se expresa en esta forma: Ecuación 1 Donde: A = área de corte transversal normal en dirección al flujo de calor, en m2. x = distancia, en m. Q = velocidad de transferencia de calor en la dirección x, en Watts (W) ∆T = Gradiente de temperatura (°C) k = Conductividad térmica del material de la superficie. (W/m °C) (Mc Cabe, 1998) 5.6.2. CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE La energía puede existir en numerosas formas, como térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear y su suma constituye la energía total de un sistema. La energía interna se puede concebir como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas. La parte de energía interna asociada con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible o calor sensible. La energía interna asociada con la fase de un sistema se llama energía latente o calor latente. (Cengel & Boles, 2012) De esta manera, cuando en un sistema su temperatura aumenta debido a un suministro de energía en forma de calor, se habla de calor sensible y se rige por la siguiente ecuación: )
Ecuación 2.
Donde: Q = calor, medido en Julios (J) m = masa, medida en kilogramos (Kg) Ti = Temperatura inicial, medida en grado Celsius (°C)
42
Tf = Temperatura final grado Celsius (°C) Cp= es una constante de proporcionalidad y se conoce como la capacidad tĂŠrmica especĂfica de la sustancia. Por otra parte el calor latente se presenta cuando en un sistema su temperatura no cambia cuando se suministra energĂa en forma de calor. Durante el suministro de energĂa en forma de calor el fluido cambia de fase. La ecuaciĂłn del calor latente es: EcuaciĂłn 3 Donde: Q = Es el calor, medido en Julios (J) m = Es la masa, medida en kilogramo (Kg) đ?&#x153;&#x2020; = se conoce como â&#x20AC;&#x153;Entalpia de transformaciĂłnâ&#x20AC;? y depende de la naturaleza del cambio de fase, asĂ como de las propiedades de la sustancia. Calor de fusiĂłn cuando el cambio de fase es de SĂłlido a LĂquido. Calor de VaporizaciĂłn, cuando va de lĂquido a gas. En cada caso, en el sentido opuesto se tiene calor de solidificaciĂłn y calor de condensaciĂłn. Se mide en J/Kg. 5.6.3. DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA DE TEMPERATURA (DMLT) En un intercambiador de calor tĂpico, un fluido caliente que circula por el interior de la tuberĂa se enfrĂa de T1 a T2 por medio de un fluido frĂo que fluye por la superficie de una tuberĂa doble a contracorriente (en direcciĂłn inversa) y que se calienta de t1 a t2, como muestra la figura 8a. El valor de la diferencia de temperatura (que se ilustra) varĂa con la distancia.
43
Figura 10
Perfiles de temperatura en un intercambiador para flujo a
contracorriente y en paralelo
Fuente: (Geankoplis, 1998) Dicho en palabras, la diferencia media logarítmica de temperatura, es la diferencia de temperaturas en un extremo del cambiador, menos la diferencia de temperaturas en el otro extremo del cambiador, dividido entre el logaritmo neperiano del cociente de estas dos diferencias de temperaturas. La obtención de la DMLT anterior implica dos hipótesis importantes:
Los calores específicos de los fluidos no varían con la temperatura,
Los coeficientes de transferencia de calor por convección se mantienen constantes al atravesar el cambiador de calor.
44
Las diferencias de temperatura entre las dos terminales se deben escribir de manera que sean positivas, con el fin de eliminar cualquier confusión debido a signos negativos. Teniendo en cuenta lo anterior las ecuaciones para calcular la DMLT en flujo a contracorriente y en paralelo están dadas por:
Para un flujo en contra corriente )
)
)
)
Ecuación 4.
Para un flujo en paralelo Ecuación 5
Donde: ∆Tlm = Diferencia media logarítmica de temperatura medida en grados Celsius (°C) T1 = temperatura inicial del fluido frío medida en grados Celsius (°C) T2= Temperatura final del fluido frío medida en grados Celsius (°C) t1 = Temperatura inicial del fluido caliente medida en grados Celsius (°C) t2 = Temperatura final del fluido caliente medida en grados Celsius (°C) (Holman, 1998) 5.6.4. ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR La ecuación básica de diseño para un intercambiador de calor es: Ecuación 6 Donde: A = Elemento de área superficial que se requiere para transferir una cantidad de calor Q a un punto en el intercambiador, medido en metros cuadrados (m 2) U = Coeficiente global de transferencia de calor, medido en watts sobre metro cuadrado por grado centígrado (W/m2°C)
45
∆T = Diferencia global de temperaturas masivas entre las dos corrientes medida en °C (Perry, 1999) 5.6.5. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA POR CONVECCIÓN Es un hecho muy conocido que un material se enfría con mucha mayor rapidez cuando se sopla sobre él o se le aplica una corriente de aire. Cuando el fluido que rodea a la superficie del sólido tiene un movimiento convectivo natural o forzado, la velocidad de transferencia de calor del sólido al fluido (o viceversa) se expresa mediante la siguiente ecuación: )
Ecuación 7
Donde: Q= Velocidad de transferencia de calor en W A= área en m2, Tw= Temperatura de la superficie del sólido en °C. Tf = Temperatura promedio o general del fluido en °C h = coeficiente convectivo de transferencia de calor en W/m2 °C.
El coeficiente h es una función de la geometría del sistema, de las propiedades del fluido, de la velocidad del flujo y de la diferencia de temperaturas. En muchos casos existen correlaciones empíricas para predecir este coeficiente, pues es muy común que no pueda determinarse por medios teóricos. (Geankoplis, 1998) 5.6.6. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA UTILIZANDO LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA POR CONVECCION Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción, y por último de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección.
46
Cuando la pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material del mismo es alta, la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable y las superficies interior y exterior del mismo son semejantes. Entonces el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor puede hallarse por medio de la siguiente ecuación: Ecuación 8 Donde: U= Coeficiente global de calor por conducción medido en vatios Watts sobre metro cuadrado por grado centígrado (W/m2°C) hi= Coeficiente de transferencia de calor por convección de la pared interna del tubo, medido en Vatios sobre metro cuadrado por grado centígrado (W/m2°C) ho = Coeficiente de transferencia de calor por convección de la pared externa del tubo, medido en Vatios sobre metro cuadrado por grado centígrado (W/m 2°C) (Cengel & Ghajar, 2011) 5.6.7. ECUACIÓN PARA CALCULAR NÚMERO DE TUBOS El área del intercambiador se puede ver como el producto del número de tubos por el área de cada tubo
Despejando n la ecuación quedaría: Ecuación 9 Donde: n= número de tubos A= Área del intercambiador medida en metros cuadrados.
47
at= área lateral de un tubo por unidad de longitud = 2π*r*L medida en metros cuadrados (Holman, 1998) 5.6.8. ECUACIÓN PARA CALCULAR LA CORAZA El diámetro de la coraza depende del número de tubos y se puede escoger mediante tablas o dibujos, con base al número de pasos y tubos. A continuación se plantea una ecuación para el cálculo del mismo: √
Ecuación 10
Donde: Ds= Diámetro interno de la coraza en pulgadas PT= Espaciamiento entre tubos en pulgadas NT= Número de tubos (Barderas, 2005)
48
6. METODOLOGÍA La metodología planteada definió los pasos a seguir en la elaboración del equipo de transferencia de calor. Las etapas que se cumplieron durante el proyecto del intercambiador de calor fueron: •
Especificación de proceso.
•
Diseño térmico
•
Diseño mecánico
•
Construcción
(Cao, Heat Transfer in Process Engineering, 2009)
6.1. ESPECIFICACIÓN DE PROCESO 6.1.1. PRE-EXPERIMENTACIÓN CON EL EQUIPO DE DESTILACIÓN. Se elaboró una práctica para evaluar el funcionamiento de la torre de destilación con el fin de encontrar las condiciones en las cuales trabajaría el intercambiador. El ensayo consistió en enchufar el calderín previamente cargado con una masa de agua conocida, la cual se evaporó por un tiempo determinado. Se dedujo la cantidad de agua evaporada y el flujo másico que manejaría el intercambiador. La cantidad de agua evaporada fue la diferencia entre el valor inicial y el final del agua en el calderín, el flujo másico fue el cociente entre el agua evaporada y el tiempo de evaporación. Las pruebas se realizaron en dos niveles de temperatura: medio y alto. 6.1.2. PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. Para el diseño de un intercambiador de calor se determinaron las principales características geométricas de la unidad:
49
Tipo de intercambiador de calor (arreglo de tubos, tubo en U, cabezales removibles). Diámetro y configuración tubular (rectangular, triangular, rotación rectangular y paso de tubo). Fluido (fluido tanto del tubo como de la coraza). Número de corazas en serie y de pasos de coraza. Numero de tubos, de pasos de tubos y diámetro de la coraza. Largo de los tubos Tipo y espacio de los bafles. (Cao, Heat Transfer in Process Engineering, 2009)
6.2.
PARÁMETROS DEL DISEÑO TÉRMICO
6.2.1. BALANCE DE ENERGÍA Con los datos obtenidos en las pruebas de pre-experimentación del equipo de destilación, inicialmente se calculó la cantidad de calor a transferir, por medio de la ecuación 1. Conociendo el calor a transferir y sabiendo que el calor cedido por el fluido caliente debe ser igual al recibido por el fluido frío, se determinó el valor final de la temperatura de salida del fluido frío, para lo cual se hizo un balance de energía igualando las ecuaciones 2. y 3. 6.2.2.
CÁLCULO
DE
LA
DIFERENCIA
MEDIA
LOGARÍTMICA
DE
TEMPERATURA (DMLT) Por medio de la ecuación 4 se calculó la DMLT para un flujo en contracorriente. Esta expresión es válida para un intercambiador de calor de doble tubo, así como para un intercambiador l - l de un paso por la coraza y un paso por los tubos, con flujo a contracorriente o en paralelo. (Geankoplis, 1998)
50
6.2.3. ESTIMACIÓN DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR El valor global del coeficiente de transferencia de calor depende de muchas variables incluyendo las propiedades físicas de los fluidos y de la pared sólida, las velocidades de flujo y las dimensiones del intercambiador. El coeficiente de transferencia de calor por convección (h), que algunas veces es denominado coeficiente de película, representa la resistencia térmica de una capa fluida existente entre un fluido y un cuerpo. En la determinación del valor de h, tradicionalmente se obtiene una relación adimensional, derivada del análisis dimensional entre h, las propiedades físicas y los parámetros cinéticos de flujo relevantes (Rahman, 2009) La estimación de los coeficientes de transferencia por convección (ho y hi), se realizó con base en datos teóricos referenciados en el Anexo 2. Dichos coeficientes se escogieron de acuerdo con las condiciones del proceso y fueron los valores del sistema: Agua en movimiento. En ocasiones un coeficiente de convección hi, es muy pequeño en comparación con la resistencia por conducción, así como con el otro coeficiente ho. Cuando esto ocurre, es suficientemente exacto igualar el coeficiente global al coeficiente individual más pequeño hi = Uo. (Mc Cabe, 1998) Debido a los resultados del flujo másico obtenidos en la pre-experimentación, se presumió un valor bajo del coeficiente de transferencia por convección hi Por esta razón se opta por seleccionar el coeficiente global de transferencia U, en datos teóricos encontrados en el anexo 1. 6.2.4. ESTIMACIÓN DE ÁREA DE INTERCAMBIO Una vez obtenido el coeficiente global de transferencia de calor, U, se halló el valor del área de intercambio de calor mediante la ecuación 8.
51
Los datos obtenidos, evidencian un área de transferencia baja, este valor no se aproxima a las medidas requeridas para continuar con el diseño del intercambiador de calor. Por esta razón se optó por diseñar un equipo que además de servir como condensador para la torre de destilación, sea funcional para otras prácticas investigativas en temas de transferencia de calor. Para este nuevo diseño de equipo se tomaron datos de un proceso de la industria láctea, donde se requiere enfriar la leche después del ordeño de las vacas. Siguiendo la misma metodología, incluyendo los parámetros básicos planteados para el intercambiador de la torre de destilación, se elaboró un nuevo diseño de un intercambiador de planta piloto con base en las condiciones dadas por el proceso del ordeño. Los datos del proceso, se relacionan en el anexo 5.
6.3.
PARÁMETROS DE DISEÑO MECÁNICO
En esta etapa se realizó el dimensionamiento mecánico de las partes del intercambiador, además del plano de detalle del equipo. 6.3.1. CÁLCULO DEL NÚMERO DE TUBOS Al tener el valor del área, se dedujo el número de tubos necesarios para cubrir dicha área. Para esto se utiliza la ecuación 9. 6.3.2. DISEÑO DEL HAZ DE TUBOS El haz de tubos se ha diseñado de tipo removible, modificando la geometría de la brida de la coraza y de una de las placas tubulares, teniendo en cuenta la configuración seleccionada. 6.3.3. CARACTERIZACIÓN DE LOS DEFECTORES Se eligió el tipo de deflectores del 25% el cual se ilustra en la figura 5. La distancia entre estos se calculó por medio de la ecuación
52
6.3.4. CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA CORAZA El diámetro depende del número de tubos y se puede escoger mediante tablas o dibujos, con base al número de pasos y tubos. Sin embargo para el intercambiador se calculó por medio de la ecuación 10, teniendo en cuenta el anexo 3 y la tabla 6. 6.3.5. CARACTERÍZACIÓN DE LOS CABEZALES Con base en la tabla 7, se escogieron la configuración de los cabezales del intercambiador de calor.
6.4.
CONSTRUCCIÓN
Habiendo terminado con el diseño térmico y mecánico del Intercambiador de Calor de Coraza y tubos, se procede a la construcción del equipo, para lo cual son necesarios los planos de todo el equipo anexo 6 plano en detalle del equipo. Para la construcción del intercambiador se contactó al Señor Epifanio Roa, Técnico Industrial, con más de 10 años de experiencia en mantenimiento industrial y asesorías técnicas, quién en su taller MANUFACTURAS TECNICAS ROA E.U brinda los conocimientos técnico-mecánicos para cortar, perforar, soldar y en general para la construcción del intercambiador.
53
7. RESULTADOS
7.1. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE DESTILACIÓN Los resultados del ensayo con la torre de destilación, permitió recoger datos reales, que fueron claves para el desarrollo del proyecto. Los datos se muestran en las tablas 9 y 10 Tabla 9 Prueba de calderín con termostato en temperatura media. TIEMPO Inicio de 9:35:00 ebullición Desconexión 10:05:00 del equipo Tiempo de 30 min. ebullición FLUJO MÁSICO
MASA DEL AGUA Masa inicial
3,290 Kg
Masa final
2,665 Kg
Agua 0.625 Kg evaporada 3,4722 x10-4 Kg/s
Fuente: Autor. Tabla 10 Prueba de calderín con termostato en temperatura alta TIEMPO Inicio de 10:38:00 ebullición Desconexión 11:08:00 del equipo Tiempo de 30 min ebullición FLUJO MÁSICO
MASA DEL AGUA Masa inicial
3,117 Kg
Masa final
2,315 Kg
Agua 0,802 Kg evaporada 4,4555 x10-4 Kg/s
Fuente: Autor A continuación se hace un resumen de las condiciones iniciales para las que estaría diseñado el intercambiador:
54
Tabla 11 Condiciones para el diseño del intercambiador de la torre de destilación.
Condiciones T° Inicial (°C) T° Final (°C)
Fluido caliente Vapor de agua 92 28
Flujo másico (Kg/s)
7.2.
Agua 20 x
4,455 x 10-4
0,46
-
4183
Calor específico (J/Kg) Calor de vaporización(KJ/Kg) Fuente: Autor
Fluido Frío
2277.2
-
PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS
7.2.1. DEFINICIÓN DEL TIPO DE INTERCAMBIADOR Como ya se mencionó las especificaciones del intercambiador se puntualizan con base en la tabla 3 y son definidas así: Intercambiador de calor de coraza y tubos no regenerativo, de un solo paso, con cabezales removibles en la que la disposición de los flujos puede ser en paralelo o en contracorriente. 7.2.2. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN TUBULAR Se eligió una configuración tubular de tipo triangular ya que esta genera mayor turbulencia, lo que incrementa el valor de los coeficientes de transferencia, siendo 25% mayores con respecto al arreglo en cuadro. Para la configuración de tipo triangular se tuvo en cuenta la ubicación de los tubos (figura 11) y que la distancia entre centros (PT) superara la distancia mínima permitida (1” pulgada). (Kern, 1999)
55
Figura 11 Ubicación de los tubos en la configuración triangular.
Fuente: (Kern, 1999) 7.2.3. UBICACIÓN DE LOS FLUIDOS La ubicación de los fluidos se hace de la siguiente manera: El fluido del lado del tubo, es el vapor de agua ya que es más corrosivo y el que puede generar mayor suciedad y mayor presión. El fluido del lado de la coraza es agua de enfriamiento.(Perry, 1999) 7.2.4. SELECCIÓN DEL NÚMERO DE PASOS DE CORAZA Se adoptó una coraza de configuración E, Las boquillas de entrada y salida están ubicadas en extremos opuestos o adyacentes de la coraza, es de un solo paso y es la configuración más económica y eficiente, térmicamente. (Perry, 1999) 7.2.5. NÚMERO DE TUBOS Los tubos empleados en la construcción de intercambiadores de calor normalmente responden a las normas dimensionales BWG. Pueden utilizarse diámetros desde ¼” (6,35mm) hasta 1,5” (38mm). (Cao, Heat Transfer in Process Engineering, 2009). Se optó por permitir un solo paso por los tubos.
56
7.2.6. TIPO Y ESPACIO DE LOS DEFLECTORES De acuerdo con los diferentes tipos de deflectores, se seleccionĂł el mĂĄs comĂşn, el de tipo simple segmentado del 25 por 100. Se ubican 2 deflectores equidistantemente a lo largo del haz de tubos.
7.3.
PARĂ METROS DE DISEĂ&#x2018;O TĂ&#x2030;RMICO
7.3.1. BALANCE DE ENERGĂ?A PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA TORRE DE DESTILACIĂ&#x201C;N
Teniendo en cuenta los datos obtenidos en la pre-experimentaciĂłn con la torre de destilaciĂłn, inicialmente se hallĂł la cantidad de calor a transferir, tomando como referencia los datos de la tabla 11. Para dicho cĂĄlculo se utilizĂł la ecuaciĂłn 3 de la siguiente manera: đ?&#x153;&#x2020;
= Siendo
=4,455 đ?&#x2018;Ľ 10â&#x2C6;&#x2019;4 2277,2= 1014,5 đ?&#x2018;&#x160; Utilizando los datos de la tabla 11, se plantea un balance de energĂa con el fin de hallar el valor de la temperatura de salida del fluido frĂo. Este balance se realiza igualando las ecuaciones 2 y 3 y despejando T2: đ?&#x153;&#x2020; )
57
7.3.2. CÁLCULO
DE
LA
DIFERENCIA
MEDIA
LOGARÍTMICA
DE
TEMPERATURA (DMLT) PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA TORRE DE DESTILACIÓN Por medio de la ecuación 4 se calcula la DMLT para un flujo en contracorriente, reemplazando los valores establecidos de la siguiente manera: )
)
)
) ) )
7.3.3. ESTIMACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA TORRE DE DESTILACIÓN Como se mencionó en la metodología la estimación de los coeficientes de transferencia de calor, se realizó con base en datos teóricos. (Anexo 1 y 2). Por lo tanto, el valor teórico seleccionado es la media del rango para el sistema de AguaVapor de Condensación el cual es 1845W/m2.°C 7.3.4. ESTIMACIÓN DEL ÁREA PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA TORRE DE DESTILACIÓN Obteniendo los valores que se relacionan en la ecuación 6, se procede a calcular el área de intercambio.
Reemplazando,
58
7.3.5. BALANCE DE ENERGÍA PARA EL INTERCAMBIADOR DE PLANTA PILOTO Para elaborar el balance se utilizó la ecuación 1. de la siguiente manera
Remplazando, )
𝑊
Balance de energía para hallar la temperatura de salida del agua de enfriamiento 𝑊
7.3.6. CÁLCULO
DE
LA
DIFERENCIA
MEDIA
LOGARÍTMICA
DE
TEMPERATURA (DMLT) PARA EL INTERCAMBIADOR DE PLANTA PILOTO Por medio de la ecuación 4 se calcula la DMLT para un flujo en contracorriente, reemplazando los valores establecidos de la siguiente manera: )
) ) )
7.3.7. ESTIMACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA PLANTA PILOTO Para el ejercicio se supone que debido al gran porcentaje de agua que contiene la leche el comportamiento es similar al del agua, por esta razón se toman valores cercanos a la media del rango del sistema seleccionado (agua en movimiento) en el anexo 2. Los valores de los coeficientes de transferencia por convección de lado de la coraza (ho) y del lado de los tubos (hi) son: hi = 10.000 W/m2 °C
59
ho= 9.000 W/m2 °C Remplazando los valores en la ecuación 8 el valor de U está dado por:
. 7.3.8. ESTIMACIÓN DEL ÁREA PARA EL INTERCAMBIADOR DE LA PLANTA PILOTO Obteniendo los valores que se relacionan en la ecuación 6, se procede a calcular el área de intercambio. Reemplazando valores,
7.4.
PARÁMETROS MECÁNICOS DEL INTERCAMBIADOR
7.4.1. RESULTADO DEL NÚMERO DE TUBOS Basándose en las condiciones dadas, se decide utilizar tubos de ½” pulgada, ya que tubos de menor diámetro, dificultaría la limpieza y tubos con mayor diámetro, requerirían flujos elevados. De esta forma el diseño se hizo con tubos de acero inoxidable de ½” calibre 40. Sabiendo que el fluido que va por los tubos requiere mayor cuidado, se eligieron tubos en acero inoxidable AISI 304 debido a que este material presenta resistencia a la corrosión. Se establece 0,75 m de longitud, ya que la ubicación del intercambiador en la torre de destilación no permite una longitud mayor. A continuación se enumeran las características de los tubos con las que se elaboraron los cálculos:
60
Tubos de ½” en acero inoxidable 304, calibre 40.
Diámetro interno= 15,80mm
Diámetro externo = 21,34mm
Longitud del tubo = 0,75 m
El número de tubos necesarios para cubrir 0,635m 2 se halló de la siguiente manera:
Sustituyendo,
13 tubos de ½”pulgada son necesarios para cubrir 0,635m2. 7.4.2. FABRICACIÓN DEL HAZ DE TUBOS Por recomendación del fabricante el número de tubos se aumentó a 14, ya que con 13 tubos no fue posible la ubicación equilibrada para la configuración triangular. El haz de tubos se forjó de tipo removible modificando la geometría de la brida de la coraza y de una de las placas tubulares. La modificación se hizo en un solo extremo de la coraza tanto en la placa tubular como en la brida, aumentando ¼” de pulgada al diámetro de la placa tubular y disminuyendo en el diámetro interno de la brida, de esta manera la placa tubular se une con el borde del tubo de la coraza. Para evitar fugas se ubicaron empaques de silicona. 7.4.3. CARACTERÍSTICAS DEL DIÁMETRO DE LA CORAZA El diámetro de la coraza se establece así: √
61
Remplazando, )√ Tomando como referencia el anexo 3 se estableció un diámetro para la coraza de 5” pulgadas. Se eligió la configuración E, teniendo en cuenta la tabla 6. Se escogió el acero al carbón para su elaboración, ya que permite en un futuro la implementación de sistemas complementarios como el vacío, lo cual puede optimizar el proceso de intercambio de calor. En los extremos la coraza se soldó bridas para sujetar los cabezales. 7.4.4. CABEZALES Con base en la tabla 7, se escogieron los cabezales de configuración tipo A. Se construyeron en acero inoxidable, con algunas modificaciones. El diámetro de los cabezales es igual al de las bridas de la coraza y se perforaron de forma tal que los orificios empataran y sellaran. Se elabora una pequeña cámara por donde el fluido podrá distribuirse libremente, antes de ingresar al haz de tubos.
7.5 CONSTRUCCIÓN 7.5.1. FORMACIÓN DE LAS PLACAS TUBULARES Para el intercambiador se ha seleccionado un arreglo en triángulo, con una distancia entre centros de 1 1/8” pulgada, entonces, dos discos de acero inoxidable (140mm x ½” y 146mm x ½”) fueron perforados, ajustando los huecos en la configuración establecida. (Figura 12.)
62
Figura 12 Placa tubular
7.5.2. ELABORACIÓN DE PLACAS DEFLECTORAS: Dos discos de acero inoxidable (140mm x ½”) son cortadas de tal forma que la altura sea igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza. Y son ubicadas equidistantemente a lo largo de los tubos, a 25cm. Son perforadas de tal forma que los tubos puedan pasar a través de estas, para este proceso se tiene como guía las placas tubulares ya perforadas. (Figura 13). Figura 13 Placas deflectoras
7.5.3. ELABORACIÓN DEL HAZ DE TUBOS Los tubos son cortados a 0,75m cada uno. La modificación se hizo en un solo extremo, tanto en la placa tubular como en la brida de la coraza, aumentándole ¼” de pulgada a la placa tubular y quitándoselo a la brida, de esta manera la placa tubular se une con el borde del tubo de la coraza. Por otra parte, se ubican los 14 tubos de acero inoxidable dentro de los huecos de las placas deflectoras y las placas tubulares. Tubos y placas son fijados con soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) y Argón. De esta forma queda elaborado el haz de tubos. (Figura 14).
63
Figura 14. Haz de tubos
7.5.4. CORAZA La elaboración de la coraza se hizo de la siguiente manera: Las bridas Slip on, son soldadas al tubo de acero al carbón por medio de soldadura 6013 x 1/8". En este momento se tiene en cuenta la modificación de la geometría y se corta ¼” de pulgada de diámetro interior a la brida para que el haz de tubos ajuste y a la vez sea removible. La coraza es perforada en ambos extremos y dos niples de ½” pulgada son soldados, para permitir la entrada y la salida del fluido. (Figura 15). Figura 15. Coraza
7.5.5. CABEZALES Los cabezales son platinas en acero inoxidable con una cámara que permite la distribución del fluido. Los cabezales son perforados lateralmente y un niple de ½” es soldado para permitir el paso del fluido hacia el interior de los tubos.(Figura 16) En pequeños intercambiadores suelen ser usados cabezales con boquillas laterales en lugar de cabezales y cubiertas de cabezal. (Mendoza, 2006).
64
Figura 16. Cabezal.
7.5.6. ENSAMBLE Por último se ensambla, primero se introduce el haz de tubos dentro de la coraza previendo que la placa con diámetro menor sea la que entre primero, luego se ubican los empaques y cabezales y en seguida se sujetan los cabezales con las bridas por medio de tornillos de ½” x ½”. (Figura 17) Figura 17. Intercambiador de coraza y tubos ensamblado.
65
7.6.
MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA
Para el montaje del intercambiador se presentaron algunos inconvenientes los cuales se mencionan a continuación: Teniendo en cuenta los tres metros de altura de la torre de destilación, las dimensiones y los 50 Kg de masa del intercambiador, la instalación se hacía algo riesgosa. La dificultad de subir y maniobrar con 50 Kg en la altura mencionada, es grande. Por esta razón y pensando en la seguridad y el fácil manejo del equipo, se diseñó un sistema mecánico que permite un ascenso y un descenso de forma segura. De esta manera se aprovecha su funcionalidad, arriba como condensador para la torre y abajo como intercambiador de planta piloto. Por otra parte, el intercambiador se aseguró a la estructura por medio de dos amarres metálicos diseñados para la sujeción y estabilidad. Para la rápida conexión del equipo en la torre se utilizaron dos universales de ½” en acero inoxidable a los extremos del intercambiador. Además se acoplaron las partes faltantes en el sistema de recirculación del condensado. Para la instalación del sistema de recirculación del agua de enfriamiento, una bomba de 0,5 HP es acoplada a la estructura donde se encuentra el calderín. La bomba cuenta con una válvula que facilita la succión del agua, ya que solo permite el agua en un solo sentido. Para la conexión con el intercambiador se usaron uniones, codos, universales, y tubos de 1” en PVC. En la verificación del funcionamiento general del equipo, se hizo una corrida en la en la cual se identificaron fugas en algunas partes del sistema de recirculación del condensado, las cuales fueron solucionadas mediante el ajuste de tubos y cinta teflón que actúo como selle. Solucionadas las fugas se realiza una prueba de destilación. En la Figura 18 se observa el montaje del intercambiador en la torre de destilación.
66
Figura 18. Intercambiador de calor acoplado a la torre de destilaci贸n.
67
7.7.
PRUEBA DE DESTILACIÓN:
Para la prueba de destilación se utilizó una solución de 4L agua-etanol a 30° de alcohol. Los resultados se reflejan en la tabla 12: Tabla 12 . Datos prueba destilación OPERACIÓN
TIEMPO
OBSERVACIONES IMAGEN
0 Llenado del calderín con la Sln agua etanol
08:20
1 Temperatura de ebullición del etanol
09:15
55 min El termómetro del calderín registra 70°C a los 55 minutos de ser conectado.
2 Entrada de vapor a Condensador
09:55
40 min El vapor ha cruzado por toda las torres empacadas de destilación y entra al intercambiador a 70°C
0 La Sln se encuentra a 19°C y 30° de alcohol
68
3 salida de condensado
10:15
20 min Se toma una muestra de 200mL del tanque de almacenamiento
4 Apagado de equipo
10:45
30 min Finalmente la muestra tiene 20°C y 92° de alcohol. Se evidencia la destilación, por lo cual se decide apagar el equipo
Fuente: Autor
7.8.
PRUEBA DE INTERCAMBIO DE CALOR
La prueba de intercambio de calor se hizo utilizando agua caliente y agua fría. El agua fría fluye por la coraza, impulsada por una motobomba de 0,5 HP, mientras que el agua caliente fluye por los tubos, impulsada por gravedad. El flujo es a contracorriente (Figura 19)
69
Figura 19 Prueba de intercambio de Calor
Los resultados de la prueba se presentan en la tabla 13
70
Tabla 13 Resultados prueba de intercambio AGUA CALIENTE
AGUA FRÍA
Temperatura inicial
78°C
8°C
Temperatura final
35°C
13°C
Flujo másico
0,05 Kg/s
0,45 Kg/s
Fuente: Autor
71
CONCLUSIONES
Se elaboró un intercambiador de coraza y tubos que fue adaptado como condensador en la torre de destilación y conforme como intercambiador de calor de planta piloto. El intercambiador se construyó con una coraza en acero al carbón calibre 40, diámetro interno de 5” por 0,75m de largo, con dos bridas de 8” de diámetro exterior y 5” diámetro interior para un extremo de la coraza y 5 3/8” diámetro interior para el otro extremo. Un haz de tubos compuesto de dos placas tubulares de diámetros exteriores de 5” en un lado y 5 3/8” en el otro, perforadas en una configuración triangular con una distancia entre centros de 1 1/8”, dos placas deflectoras, segmentadas del 25 por 100 y 14 tubos en acero inoxidable calibre 40 de ½” y 0,75 m. Dos cabezales en acero inoxidable de diámetro externo 8” y diámetro interno de 5”. El equipo fue ajustado para la torre de destilación lo cual permitió la elaboración de una práctica de destilación en la que se obtuvo alcohol al 92°alcohólicos después de haber entrado a 30° alcohólicos, por lo cual se reconoció que la torre de destilación queda habilitada. Además, desconectado de la torre de destilación funcionó como intercambiador de calor de planta piloto, evidenciando una transferencia de calor entre dos fluidos. El agua caliente con una temperatura inicial de 78°C, se enfrió hasta 35°C mientras que el agua fría se calentó desde 8°C hasta 13°C. .
72
RECOMENDACIONES
Se puede mejorar del proceso de destilación implementando un sistema de vacío que optimizaría y ayudaría al estudio a fondo de esta operación unitaria.
La prueba de intercambio de calor se hizo con una sola bomba, se podría implementar un sistema variable de bombas con las que se pueda controlar el flujo del fluido caliente y del fluido frío, pudiendo realizar pruebas y estudios en cuanto a la transferencia de calor.
Teniendo en cuenta la geometría del intercambiador y el haz de tubos removible se podrían realizar estudios del factor obstrucción y analizar cómo estos afectan la eficiencia del intercambio.
73
BIBLIOGRAFÍA
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74
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MANUAL DE ENSAMBLE DEL INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS
INTRODUCCIÓN. Con el presente manual, se busca que todas las personas que operen el intercambiador de calor de coraza y tubos, tengan toda la información pertinente sobre la manera de ensamble y el adecuado manejo, sea como condensador en la torre de destilación o como intercambiador de calor de plata piloto. Objetivos
Describir las partes que conforman el intercambiador de calor de coraza y tubos.
Mostrar los pasos para armar y desarmar el intercambiador de calor de coraza y tubos.
Identificar la forma de operación como condensador en la torre de destilación empacada.
Identificar la forma de operación como intercambiador de calor de planta piloto
Descripción del intercambiador de coraza y tubos y de los accesorios en la torre de destilación. El intercambiador de coraza y tubos comprende los siguientes elementos. 1. Coraza 2. Haz de tubos removible 3. Cabezales 4. Empaques 5. Tornillos y tuercas de sujeción
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6. Abrazaderas metálicas 7. Bomba centrífuga. 8. Sistema mecánico de ascenso y descenso.
Pasos para armar y desarmar el intercambiador de calor de coraza y tubos. 1. El primer paso para ensamblar el intercambiador de coraza y tubos es tener en cuenta la ubicación de tal forma que el lado por donde la brida tiene un diámetro interno superior, quede encima así como se muestra en la figura 1
Figura 1
2. Insertar el haz de tubos, este también tiene un derecho y se debe insertar primero el lado de la placa que tiene las menor diámetro, teniendo en cuenta la posición de los deflectores ya que deben quedar en línea con la entrada y salida de la coraza de diámetro, así como se muestra en la figura 2.
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Figura 2 3. Luego de tener el haz de tubos y la coraza, se colocan los empaques siliconados, de tal forma que sellen alrededor de la diรกmetro externo de la placa tubular y el interno de la brida de la coraza. Tal como se muestra en la figura 3.
Figura 3.
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4. Por último se ubican los cabezales, verificando que el diámetro interno de estos, corresponda con el diámetro de la placa tubular. Se ajusta con los tornillos de 1” x ½” tal como se muestra en la Figura 4
Figura 4 5. Finalmente el intercambiador de calor queda ensamblado como se muestra en la figura 5
Figura 5
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ANEXO 1
Valores típicos de los coeficientes de transferencia de calor globales en los Intercambiadores de tubo y coraza. SISTEMAS
2
De agua a agua De agua a solución salina De agua a líquidos organices De agua a vapor de condensación De agua a gasolina De agua a gas de petróleo De agua a aceite vegetal De gas de petróleo a gasóleo De vapor a agua hirviendo De agua a aire (tubo con aletas) De orgánicos ligeros a orgánicos ligeros De orgánicos pesados a orgánicos pesados Fuente (Geankoplis, 1998)
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W/m °K 1140-1700 570-1140 570-1140 1420-2270 340-570 140-340 110-285 110-285 1420-2270 110-230 230-425 55-230
U btu/h /pie2 °F 200-300 100-200 100-200 250-400 60-100 25-60 20-50 20-50 250-400 20-40 40-75 10 -40
ANEXO 2 Magnitudes aproximadas de algunos coeficientes de transferencia por convección. Tipo de Procesos Vapor de agua (condensación en gotas) Vapor de agua (condensación en película) Ebullición de agua Vapores orgánicos condensables Agua (calentamiento o enfriamiento) Aceites (calentamiento o enfriamiento) Vapor de agua (sobrecalentamiento) Aire (calentamiento o enfriamiento) Fuente
(Mc Cabe, 1998)
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Intervalo de valores h BTU/h pie2 °F W/m2°C 5000 – 20000 30000 – 100000 1000 – 3000 6000 – 20000 300 – 9000 1700 – 50000 200 – 400 1000 – 2000 50 – 3000 300 – 20000 10 – 300 50 – 1500 50 - 20 30 – 100 1 - 50 1 - 50
ANEXO 3 Dimensiones de tuberĂa estĂĄndar de acero.
Fuente: (Geankoplis, 1998)
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ANEXO 4 Material para la construcción del intercambiador. MATERIAL
CANTIDAD
DIMENSIONES
Tubos de acero inoxidable
14
DI ½” x 0,75 m Calibre 40s
Tubo de acero al carbón
1
DI 5"x 0,75 m Calibre 40
Platinas de acero inoxidable
2
180mm x 7/8”
Bridas en acero inoxidable
2
180mm x 7/8"
Tornillos
16
½” x 2”
Bridas ac slip-on
2
180mm x 141mm x22mm
Niples ac
2
½” x 2”
Discos de acero inoxidable Disco de acero inoxidable Empaques siliconados
3 1 2
140mm x ½” 145mm x ½” 180mm x 1/8”
Fuente: Autor
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ANEXO 5 Condiciones del proceso de refrigeración de la leche después del ordeño. Condiciones
T° Inicial (°C) T° Final (°C) Flujo másico (Kg/s)
Fluido caliente Leche 35 15 0,46
Fluido Frío
3850*
4183*
Calor específico (J/Kg)
* (Geankoplis, 1998)
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Agua 4 x 0,46
ANEXO 6 Plano en detalle del intercambiador de coraza y tubos.
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