PROYECTO INTERCAMBIADOR DE CALOR
UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ
FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
OPERACIONES UNITARIA
PROYECTO
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Integrantes:
ARAUZ MEDRANDA TEDDY IVAN
MERO MERO JEFFERSON SEBASTIAN
DOCENTE:
Ing. JOUBER ANTONIO AZUA ALVIA
SEMESTRE:
OCTAVO “B”
MANTA-MANABI-ECUADOR
2021(2)
Contenido
Que es la trasferencia de calor
Tipos de trasferencia de calor
Tipos de intercambiador de calor
Presentación
del esquema y datos relevantes
Conclusiones
y recomendaciones
Introducción
Un intercambiador de calor es un
dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos entre la
superficie de un sólido y un fluido en movimiento desde cambiadores de calor se
encuentra en muchos sistemas químicos mecánicos Son elementos fundamentales en
los sistemas de calefacción refrigeración acondicionamiento de aire producción
de energía y procesamientos químicos y también aparatos en la vida cotidiana
como calentadores frigorífico Caldera ordenadores radiador del motor de un
automóvil precalentadores implementó de fluido entre otra aplicación de los
principios de transferencia de calor al diseño de un equipo destinado a cubrir
un objetivo determinado e ingeniería es de Vital importancia porque al aplicar
los principios del diseño se debe trabajar en la consecuencia consecución del
importante logró que se supone el desarrollo de un producto para obtener
provecho económico
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son
muy variadas y reciben diferentes nombres:
•
Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar
y enfriar dos fluidos.
•
Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
•
Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
•
Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
•
Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora
proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay
de termosifón, de circulación forzada, de caldera)
•
Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.
Objetivos
General
·
Determinar
el comportamiento del intercambiador de calor con la ficha técnica del modelo
E-113 de las sustancias que es una mezcla
de HCl y Acetileno
Especifico
·
Determinar el
balance de energía, tomando el valor de fluido frío
·
Estimación del
valor del coeficiente global de transferencia para tantear valores Pertinentes
·
Coeficiente global
de intercambio de calor de un intercambiador de calor en servicio
Justificación
Cuando la industria se requiere un intercambiador de calor se debe llevar a cabo un análisis en forma térmica hidráulica y mecánica dicho análisis radica en la función que desempeña la dejes ir no es lo mismo un intercambiador de calor para la industria farmacéutica que uno para la industria petroquímica proceso tanto de cálculo como fabricación será distinto a través del diseño de térmico entre cambiador de calor de coraza y tubo se dará solución al problema.
Marco teórico
Que es la trasferencia de calor
Los
principios de transferencia de calor son bien conocidos y se describen
brevemente más abajo. La energía calorífica es transferida por tres modelos
básicos. Todas las aplicaciones de calor involucran cada modelo en mayor o
menor grado.
• Conducción
• Convección
• Radiación
Tipos de trasferencia de calor
La
conducción es la
transferencia de calor a través de un material sólido. Aquellos metales, como
cobre y aluminio, son buenos conductores de energía calorífica. Los vidrios,
las cerámicas y los plásticos son relativamente pobres conductores de energía
calorífica y frecuentemente se usan como aislantes térmicos. Todos los gases
son malos conductores de energía calorífica. Una combinación de vidrio
expandido o fibra de cerámica rellena con aire es un excelente aislante
térmico. Las aplicaciones típicas de conducción de calor incluyen el
calentamiento de platina (calentadores de cartucho), calentamiento de tanques
(calentadores tipo tira y anillo), calentamiento de tuberías a través de
un cable calentador y otras aplicaciones donde el calentador está en contacto
directo con el material que está siendo calentado.
La
convección es la
transferencia de energía calorífica mediante la circulación y difusión del
medio calentado. Es el método más comúnmente utilizado para el calentamiento de
fluidos o gases y también la aplicación más frecuente de elementos y conjuntos
tubulares eléctricos. El fluido o gas en contacto directo con una fuente de
calor se calienta por conducción lo que provoca que éste se expanda. El
material expandido es menos denso o más ligero que su ambiente y tiende a
elevarse. Como éste se eleva, la gravedad lo reemplaza con material más frío y
más denso que es entonces calentado, y así se repite el ciclo. Este patrón de
circulación distribuye la energía calorífica por todo el medio. La convección
forzada utiliza el mismo principio sólo que bombas o ventiladores mueven el
líquido o gas en lugar de la gravedad. Las aplicaciones típicas de calentamiento
por
convección incluyen calentamiento por inmersión en agua y aceite, calentamiento
de aire, calentamiento de gas y calentamiento del aire ambiental.
La
radiación es la
transferencia de energía calorífica por ondas electromagnéticas (infrarrojas) y
es muy diferente a la conducción y a la convección. La conducción y la
convección tienen lugar cuando el material que se está calentando está en
contacto directo con la fuente de calor. En el calentamiento infrarrojo, no hay
contacto directo con la fuente de calor. La energía infrarroja viaja en línea
recta a través del espacio o el vacío (similar a la luz) y no genera calor
hasta que es absorbida. La energía calorífica convertida se transmite entonces
en el material mediante una convección o una conducción.
Intercambiador de calor
Los
intercambiadores de calor son dispositivos cuya función es transferir el
calor de un fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se
produce a través de una placa metálica o tubo que favorezca el intercambio
entre fluidos sin que estos se mezclen. En este artículo veremos los distintos
tipos de flujos que pueden tener los fluidos a través de estos dispositivos
para favorecer la trasmisión de calor así como las aplicaciones en la industria
y concretamente en el sector naval.
Las
aplicaciones a bordo son variadas y en función del objetivo para el cual están
diseñados los intercambiadores de calor reciben distintas denominaciones:
- Intercambiador de Calor: Dispositivo
que realiza una doble función; calentar un fluido y enfriar otro.
- Condensador: Dispositivo que tiene como objetivo condensar
vapor o mezcla de vapores
- Enfriador: El objetivo de un enfriador como su propio
nombre indica es disminuir la temperatura del fluido por medio de otro
(aire,agua, aceite…)
- Calentador: Dispositivo enfocado a aportar calor sensible
(sin cambio de fase) a un fluido
- Vaporizador: El objetivo de un Vaporizador es vaporizar
parte de un líquido.
Tipos de intercambiador de calor
Tipos
de Intercambiadores según la Dirección del Flujo
Flujo
Paralelo
Los dos fluidos caliente y frío entran por el mismo
extremo del intercambiador y fluyen en la misma dirección intercambiando
calor hasta alcanzar una temperatura próxima la una de la otra, es decir, los
fluidos tratan de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.
Contraflujo
Cada uno de los fluidos entran al intercambiador por
diferentes extremos y se presenta el contraflujo cuando los dos fluidos fluyen
en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Este tipo de
intercambiador puede presentar una temperatura más alta en el fluido frío
y más baja en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor
,por lo que es más eficiente termicamente si lo comparamos con el flujo
paralelo
Flujo
Cruzado
En el intercambiador que presenta un flujo cruzado,
uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido. Uno de los
fluidos pasa a través de los tubos mientras que el otro pasa alrededor de
dichos tubos perpendicularmente.
De
un Solo Paso (Paso Simple)
Sí el fluido sólo intercambia calor en una
sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo
paso, en ocasiones la transferencia de calor no es lo suficientemente para
alcanzar la temperatura deseada por lo que se emplea un método que combina dos
o más intercambiadores en serie, esto permite mejorar la eficiencia del proceso
de intercambiador de calor ya que los fluidos se hacen pasar varias veces
dentro de un intercambiador de paso simple.
De
Múltiples Pasos
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian
calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos.
Comúnmente el
intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al
utilizar dobleces en forma de «U»en los extremos, esta configuración de «U»,
permite al fluido volver a recorrer el interior del intercambiador
incrementando el área de transferencia.
Regenerativos
y No Regenerativos
Los
intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su carácter
regenerativo o no regenerativo:
- Intercambiador
Regenerativo
Es un intercambiador regenerativo aquel donde se
emplea el mismo fluido (fluido caliente = fluido frío) como se aprecia
en la imagen. El proceso es el siguiente; El fluido caliente atraviesa el
intercambiador cediendo calor en él y posteriormente regresa al intercambiador
como fluido frío.
Este
tipo de intercambiadores se emplean en sistemas de altas temperaturas donde una
parte del fluido del sistema se redirige del proceso principal a un proceso
secundario, ya que la energía interna de este fluido es aprovechable para otras
funciones (por ejemplo calefacción).
Intercambiador
No-Regenerativo.
Es
importante recordar que el término «regerativo/no-regenerativo» sólo
se refiere a «cómo» funciona el intercambiador de calor en un sistema y no
indica el tipo de intercambiador o flujo.
Tipos
de Intercambiadores según su estructura
Existen
multitud de configuraciones para los intercambiadores en función de las
características necesarias para desarrollar el proceso para el que se diseñan.
Los siguientes tipos de intercambiadores son los más recurrentes siendo el de
placas y tubos + carcasa los empleados comúnmente a bordo.
De
Placas
La configuración del intercambiador de placas consta
de un empaquetamiento de finas placas o láminas de metal corrugadas de alto
coeficiente de transferencia que favorece la transferencia de calor.
La conformación corruga permite que se produzcan flujos turbulentos a
velocidades relativamente pequeñas (0.25 a 1 m/s).
El funcionamiento
es simple, si tomamos como ejemplo la imagen, podemos observar que mientras en
una cara de la lámina desciende el fluido caliente, por lámina
inmediatamente contigua circula a contra flujo (para favorecer
el intercambio y no producir esfuerzos térmicos en zonas concretas), los
fluidos nunca se mezclan y la presión de apriete de la
empaquetadura más las juntas de goma perimetral
(color negro) evitan que los líquidos escapen.
De
Haz de Tubos y Carcasa
La configuración de tubos y carcasa es la construcción
más básica y común de los intercambiadores de calor, debido a ser el sistema de
tubos más empleado se le denomina intercambiador de tubos sin más, pero debido
a la configuración que se explicará en el punto 3.4 añadiremos el término «con
carcasa».El fluido que circula por el interior de los tubos se denomina «Flujo
interno» y el fluido que circula por la carcasa «Flujo externo».
En los extremos de los tubos, el fluido que circula
por el interior de los tubos es separado del fluido que circula por la carcasa
por la denominadas «Placas del tubo». En las partes
intermedias se pueden apreciar unos separadores en forma de medialuna
llamados «Deflectores» cuya función es forzar la dirección del
flujo y mejorar el intercambio de calor.
En los extremos de los tubos, el fluido que circula por el
interior de los tubos es separado del fluido que circula por la carcasa por la
denominadas «Placas del tubo».
En las partes intermedias se pueden apreciar unos separadores en forma de
medialuna llamados «Deflectores» cuya
función es forzar la dirección del flujo y mejorar el intercambio de calor.
De
Tubos Concéntricos
Este tipo de intercambiadores consta de dos tubos
concéntricos de diámetros diferentes ensamblados uno dentro del otro,
llamado intercambiador de calor de tubo doble o tubos concéntricos. En este
dispositivo, el fluido caliente circula por el conducto interno cediendo calor
al fluido de menor temperatura que circula por su sección anular (camisa o encamisado).
•
Prensaestopas tubo
exterior
•
T de conexión
•
Unión roscada
•
Codo en U
•
Prensaestopas tubo
interno
•
Tubo conector
•
Tubo interior
•
Entrada tubo
interno
•
Salida tubo
externo
•
Prensaestopas de
paso
•
Entrada tubo
externo
•
Tubo externo
•
Salida tubo
externo
Descripción del caso
El intercambiador de calor de carcasa y tubos utilizado como fuente de
estudio tiene un arreglo BEM de un paso por la carcasa y dos por los tubos, de
tubos cortados de TEMAS, de uso común. Este intercambiador de calor está
dispuesto para enfriar la corriente de salida del reactor E-302 la cual ingresa
por los tubos con un caudal de 2730kg/h 219,1ºC el cual es una mezcla de HCl y
Acetileno (sin reaccionar), Cloruro de Vinilo y Nitrógeno. El líquido de
refrigeración es agua a temperatura ambiente que sale de tanques de reservorio
con un caudal de 9978kg/h a 28ºC. El fluido enfriado en el proceso prosigue a
un intercambiador que disminuye aún más la temperatura para pasar a la
siguiente operación.
Presentación
del esquema y datos relevantes
Conclusiones y recomendaciones
El valor de la ficha técnica para la
temperatura de salida del flujo frio nos refleja 40°C, se hacen los cálculos
respectivos con valores proporcionados y nos da una valor de 39,97°C podemos
definir que es un valor igual.
La temperatura media logarítmica de nuestra
ficha técnica muestra una valor de 97.57 °C, el valor calculado fue de 97.9°C
podemos aceptar este valor también ya que su diferencia como el anterior solo
radica en decimales.
El coeficiente global de trasferencia de calor
de nuestro intercambiador de calor es 294 W/m2 °C el cual lo da la ficha
técnica, el valor calculado por medio de Excel es de 294.9 W/m °C, este valor
también se acepta ya que su variación es de decimales y esto puede deberse a
datos sin decimales por cuestiones técnicas.
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