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Clase Teórica: “Intercambiadores de calor”
Material de clase: https://issuu.com/rosmeryfidel/docs/material_docente_4 Tema: “Intercambiadores de Calor”
Diseño de un cambiador de Calor tubular
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El cálculo del área de transmisión de calor es uno de los objetivos principales en el diseño de un cambiador de calor tubular. Las suposiciones de partida son:
El flujo de calor es en estado estacionario. El coeficiente global de transmisión de calor es constante a lo largo de todo el cambiador. No hay conducción axial en la tubería. El cambiador está perfectamente aislado. Las pérdidas de calor hacia el exterior son despreciables.
El flujo de calor intercambiado entre los fluidos puede expresarse mediante la ecuación:
dq=Ui (∆T)global dAi
donde U. es el coeficiente global basado en el área interior de la tubería interior. El término (∆T)global es la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío. El balance de energía en el cambiador de calor es:
El perfil de temperatura en un cambiador de calor tubular, se expresa:
dq=Ui (Th-Tc)dAi
El diseño consiste fundamentalmente en elegir el tipo de intercambiador de calor y calcular el área necesaria de contacto para conseguir transferir calor determinado.
Normalmente se conocen las temperaturas de entrada al cambiador de ambos fluidos y la temperatura de salida de uno de ellos dependiendo si se pretende calentar o enfriar a una temperatura determinada el fluido frio o caliente, respectivamente, así un simple balance entalpico en el cambiador permite determinar el caudal del calor necesario para enfriar o calentar dicho fluido y la temperatura desconocida del otro fluido.
Tipos de cambiador de Calor según el flujo
Hay que tener encueta si son concéntricos de flujo paralelo o de flujo en contra corriente.
Flujo paralelo:
Flujo en contracorriente:
Problema de aplicación
1. Un alimento líquido (��������������������í�������� = 4.0����/����°��) por la tubería interior de un cambiador de calor de tubos concéntricos. El alimento entra al cambiador a 20°�� y sale a 60°�� como se indica en el perfil de temperaturas. El caudal másico del alimento es 0,5����/��.
Por la sección anular del cambiador circula agua, en contracorriente con el alimento, que entra al cambiador a 90°��; su caudal másico es de 1����/��. El calor específico medio del agua es 4.18����/����°�� .
Suponer estado estacionario. En estas condiciones: Calcular la temperatura de salida del agua del cambiador de calor. Calcular la diferencia de temperatura media logarítmica. Calcular la longitud del cambiador si el coeficiente global de transmisión de calor es 2000 W/m2 °C y el diámetro interno de la tubería interior es 5 cm. Repetir los cálculos si el cambiador es de flujo en corrientes paralelas.
Solución:
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Revisión Bibliográfica (Marco Teórico)
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Definición:
Un intercambiador de calor es un dispositivo que es utilizado para la transferencia de energía térmica interna entre dos o más fluidos disponibles a diferentes temperaturas. En la mayoría de los intercambiadores de calor los fluidos son separados por la superficie de transferencia, e idealmente no se mezclan. (Castañeda, 2015)
Por otro lado (De Luna, 2014) menciona que un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto.
Clasificación/Tipos de intercambiador
Según (Castañeda, 2015) se clasifican de la siguiente manera:
Según el proceso de transferencia Contacto directo: donde ambos medios se encuentran en contacto directo el uno con el otro. Se da por hecho que los fluidos no se mezclan entre sí. La mayoría de los intercambiadores de calor por contacto directo caen bajo la categoría de gas líquido, donde el calor se transfiere entre un gas y líquidos en forma de gotas, las películas o aerosoles.
Contacto indirecto: Son aquellos en los que los fluidos no entran en contacto directo, no se mezclan, sino que están separados por un tabique sólido, un espacio o incluso un tiempo. También se denominan de tipo cerrado.
Según su construcción Tubular: Doble tubo, Carcasa y Tubos Flujo cruzado Espiral Placas Superficie aleteada (tubular o de placas) Regenerativo: Estático, Dinámico
Según la disposición de flujos Paso único Corriente Contracorriente Cruzado Paso múltiple
Causas de deterioro y averías:
Principalmente los daños ocurren en las superficies de los materiales del intercambiador de calor en contacto con hidrocarburos, sustancias químicas, agua y vapor. Los daños son influenciados por factores tales como: Temperatura, fatiga mecánica, turbulencia, concentración y velocidad de escurrimiento de los fluidos. (John, 2013)
Corrosión: Puede ocurrir en cualquiera de los componentes del intercambiador en contacto con los fluidos o en las áreas donde ocurran cambios de estados (liquido-vapor). Este es el principal mecanismo de falla en los intercambiadores de calor, especialmente en los tubos, y dependerá de los materiales y de los fluidos que circulan por esto
Averías mecánicas: Se consideran las siguientes causas: Vibraciones en los tubos (ocasionando desgaste al rozar el tubo con los
baffles). Aflojamiento de tubos en el cabezal, y grietas. Alabeo y deformación de los tubos. Montaje inadecuado
Aplicaciones Industriales:
(De Luna, 2014) menciona las siguientes aplicaciones con mayor importancia: Industria alimentaria: enfriamiento, pasteurización de leche, zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino, jarabe de azúcar, aceite, etc.
Industria química y petroquímica: producción de combustibles, etanol, biodiesel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites industriales, etc.
Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que implique enfriamiento o calentamiento de los gases.
Calefacción y Energía Solar: producción de agua caliente sanitaria y mediante paneles solares, calentamiento de piscinas, etc.
Industria marina: enfriamiento de motores y lubricantes mediante el empleo del agua del mar.
Efectividad de un Intercambiador:
La efectividad de un intercambiador se define de la siguiente manera: (Morales, 2020) La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia.
En contra flujo, es aparente que conforme aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.
Aplicación en la Industria Alimentaria:
En todas las industrias, y en particular la industria alimentaria se lleva a cabo el uso de diferentes máquinas y equipos, estos tienen diversas funciones, que en conjunto permiten realizar los procesos para la elaboración de un producto alimenticio.
Los intercambiadores de calor que se encuentran en las industrias de alimentos tienen una gran variedad de formas y de funciones, pero a pesar de que puedan tener todas estas variedades y funcionamientos similares, los intercambiadores de calor más comunes que podemos encontrar en la mayoría de las empresas debido a su accesibilidad de precio y por su funcionamiento que realizan y que es indispensable son:
el evaporador
calderas
enfriadores
pasteurizadores.
Importancia en la Industria Alimentaria:
Muchas veces no nos ponemos a pensar que los equipos y maquinas tienen una gran relevancia en la industria, y mucho menos sobre cómo es su funcionamiento. Algunos equipos que se encuentran en la industria de los alimentos son equipos llamados intercambiadores de calor, estos se nombran así porque como lo menciona (Morales, 2020) que los intercambiadores de calor son dispositivos que se encargan de transferir calor de un lugar a otro, o de un fluido a otro fluido.
Existen muchos tipos de intercambiadores de calor que se pueden encontrar en las empresas alimenticias, estos pueden tener muchas formas y tamaños. Hay algunos intercambiadores de calor que tienen ciertas características, como su funcionamiento similar, pero se considera que existen muchas variedades de acuerdo a las ventajas y desventajas que estos ofrecen. Continuando con las similitudes entre los intercambiadores, podemos encontrar que los evaporadores, vaporizadores y calderas tienen una aplicación similar, aunque en el caso de que estos trabajan con fluidos líquidos con el fin de calentarlos y convertirlos en vapor, los 2 primeros trabajan cada uno con fluidos líquidos de diferente naturaleza.
El evaporador lo que se calienta y evapora es el agua, porque se suministra una energía con una Tº equivalente a la evaporación del agua, en cambio con un vaporizador se puede calentar y evaporar otro fluido que no sea agua.
Las calderas son otro tipo de intercambiadores de calor, estas tienen la función de calentar el agua o la de producir vapor, aquí considero que es dependiendo del uso al que se le destinara al producto resultante del proceso que se realiza en la caldera.
Glosario
TERMINO
Intercambiadores de calor
Flujo de calor en estado estacionario
Coeficiente global de transferencia de calor
Un intercambiador de calor es un equipo que transfiere continuamente calor de un medio a otro. Hay dos tipos principales de intercambiadores de calor: directos e indirectos. Intercambiador de calor directo, donde ambos medios están en contacto directo entre sí. Se da por sentado que los medios no se mezclan.
Cuando la temperatura en cada punto de un cuerpo no varía con el tiempo, decimos que prevalecen las condiciones de estado estacionario o que tenemos un flujo de calor en estado estacionario.
El coeficiente total de transferencia de calor, o valor U, se refiere a qué tan bien se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. Sus unidades son W/(m2°C) [Btu/(hrft2°F)]
En el intercambio de calor por contracorriente, el fluido caliente se enfría mientras que el fluido frío se calienta. En el extremo de calor tenemos un fluido caliente entrando que cede energía a los fluidos de temperatura templada, calentándolos a través de la longitud de intercambio.
Conclusión
SEMANA 9: “Intercambiadores de calor”
Un intercambiador de calor es un dispositivo que es utilizado para la transferencia de energía térmica interna entre dos o más fluidos disponibles a diferentes temperaturas. En todas las industrias, y en particular la industria alimentaria se lleva a cabo el uso de diferentes máquinas y equipos estos tienen diversas funciones, que en conjunto permiten realizar los procesos para la elaboración de un producto alimenticio. Los intercambiadores de calor que se encuentran en las industrias de alimentos tienen una gran variedad de formas y de funciones
Referencias bibliográficas
Castañeda, A. (2015). Intercambiadores de Calor. Obtenido de slideplayer : https://slideplayer.es/slide/3477821/ De Luna, A. (2014). "Intercambiadores de Calor". Obtenido de slideplayer: https://slideplayer.es/slide/27219/ John, S. (4 de Mayo de 2013). Intercambiadores de calor . Obtenido de slideserve: https://www.slideserve.com/sandra_john/intercambiadores-de-calor
Morales, N. (2020). Importancia de los intercambiadores de calor en la industria alimentaria. Obtenido de gestiopolis: https://www.gestiopolis.com/importancia-los-intercambiadores-calor-laindustria-alimentaria/
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