Intercambiador de Calor de Placas
Intercambiador de Calor de Placas
Intercambiador de Calor de Placas
I. INTRODUCCION
En la vida diaria se encuentran muchas situaciones fsicas en las que es necesario transferir calor desde un fluido caliente hasta uno fro con mltiples propsitos. Por ejemplo, ahorro de energa (combustible) lo que disminuye los costos de operacin; o para llevar al fluido a una temperatura ptima, bien sea para un procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el caso de transporte y/o almacenamiento. Para transferir calor existen una amplia variedad de equipos denominados intercambiadores de calor. Los equipos de intercambio de calor se pueden clasificar de acuerdo a diferentes criterios: tipo de contacto entre las corrientes fluidas, relacin rea de transferencia de calor a volumen ocupado, nmero de fluidos involucrados, de acuerdo al servicio, tipo de construccin, etc. OBJETIVOS Aplicar los conocimientos bsicos de transferencia de calor para la seleccin, diseo, mantenimiento y control de equipos de intercambio de calor. DEFINICIONES Intercambiador: Es un equipo de transferencia de calor cuya funcin es cambiar la entalpia de una corriente. En otras palabras, un intercambiador transfiere calor entre dos o ms corrientes de proceso a diferentes temperaturas. Usualmente no existen partes mviles en un intercambiador de calor, sin embargo, hay excepciones, tales como los regeneradores. Enfriador: Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra un cambio de fase. Calentador: Es un intercambiador de calor que aumenta la entalpa de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de agua, aceite caliente, fluidos especiales para transferencia de calor o una corriente de proceso de entalpa alta, por ejemplo la descarga de un reactor operado a temperaturas elevadas. Refrigerador: Es una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador: Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en lquidos. Generalmente se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El trmino condensador de superficie se refiere especficamente a aquellas unidades de carcasa y tubos que se utilizan para la condensacin del vapor de desecho, proveniente de las mquinas y de las turbinas a vapor. Un condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua.
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APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS Industria Martima: Los intercambiadores a placas son utilizados como enfriadores de aceite, enfriadores de agua de refrigeracin de los motores, generadores de agua potable. Como caracterstica particular de los ICP en la Industria Marina cabe destacar el material de las placas para poder resistir el poder de corrosin del agua del mar. El material empleado habitualmente es el Titanio, de menor peso que el acero inoxidable y resistente a la corrosin del agua salina. En los generadores de agua potable tambin se utilizan ICP, que a diferencia de los intercambiadores de tubos, ocupan mucho menor espacio y proporcionan un rendimiento mucho ms eficiente. Esto es particularmente importante en los navos, dado que el espacio y el peso son dos factores cruciales en su construccin. Industria de Tratamiento de Superficies: Los intercambiadores de calor a placas se utilizan para el calentamiento de la solucin desengrasante, enfriamiento del agua de aclarado, etc. Centrales Nucleares: intercambiadores de calor de placas se utilizan en el circuito secundario de refrigeracin. Industria alimentaria: Los intercambiadores de calor a placas se utilizan en la fabricacin de leche, mantequilla, queso, postres, miel, yogures, cerveza, helados, refrescos, agua embotellada, salsas.
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ICP Pasteurizacintermizacin: El producto se trata hasta 75C en pasterizadores multietapa Tratamiento UHT: En estos ICP se alcanzan temperaturas de hasta 147C del producto Sector cervecero:
Enfriamiento de mosto mediante ICP para grandes volmenes Pasteurizacin flash de la cerveza de barril Enfriadores de cerveza para envasado
Sector azucarero:
Tratamiento de los jarabes a altas temperaturas mediante ICP Equipos ICP auxiliares de enfriamiento y calentamiento de jarabe
Industria Qumica: Se utilizan para controlar temperaturas de proceso, calentamiento o enfriamiento de productos qumicos en proceso, etc. Industria farmacutica: Los intercambiadores de calor a placas se utilizan en la fabricacin de extractos de plantas, soluciones, aguas para inyectables de WFI, etc. Industria Cosmtica: Se utilizan en la fabricacin de soluciones cosmticas basadas en aceites y alcoholes. Calefaccin y refrigeracin: Desde grandes instalaciones HVAC, hasta instalaciones centralizadas de refrigeracin.
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1. Placas Este equipo cuenta un total de 72 placas de acero inoxidable del tipo AISI-304, con una conductividad trmica de 16.3 W/m.K. El espesor de cada placa es de 0.4 mm. El material de las juntas es goma de nitrilo. Las caractersticas de este material son su excelente resistencia en el manejo de sistemas acuosos, grasas e hidrocarburos alifticos, resiste temperaturas de hasta 140C. Los diferentes tipos de placas permiten el direccionamiento adecuado de los flujos en cada una de las etapas. La altura de la placa es de 380 mm y el ancho 14 mm (ALFA LAVAL T2-BFG).
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7. Vlvulas Las vlvulas con las que cuenta el intercambiador son de tipo mariposa. La apertura de las vlvulas determina la velocidad de flujo que se maneja en el proceso. La disposicin de las vlvulas abiertas y cerradas es lo que define cual de los tanques de alimentacin se est usando. El equipo cuenta tambin con una vlvula de globo que al abrirse permite la circulacin entre los dos tanques para realizar la funcin de mezclado. 8. Vlvula de seguridad Este accesorio es elctrico y se activa mediante un switch. Al abrirse impide que el producto entre al recuperador, pues lo desva hacia el tanque pequeo para ser recirculado al calentador. Este dispositivo permite recircular el producto cuando este no alcanza la temperatura correcta para ser pasteurizado. 9. Tubo de retencin El tubo de retencin tiene una longitud de 3.084 metros y en l puede adaptarse la entrada de vapor ya que de ser necesario puede funcionar como intercambiador de calor de doble tubo. El suministro de vapor en esta zona del equipo sirve para aumentar la temperatura del producto. 10. Calentamiento La etapa de calentamiento consiste de 12 placas (10 placas trmicas) ajustadas con una distancia de 0.3 mm entre s, para que la longitud del paquete de placas cerrado debe de ser de 48 mm para evitar las fugas de los fluidos. Las limitaciones del equipo estn dadas por el fabricante y son temperatura de aproximadamente 150C. La Diferencia de Presin de para el agua de calentamiento es de 8478.570759 mmHg. Flujos msico de agua de calentamiento es aproximadamente 0.335346549 Kg/s. Solo es un par por corriente. La corriente caliente de esta etapa es agua que se alimenta desde un tanque mediante una bomba de 1 HP hasta el intercambiador de calor de coraza y tubos que opera con vapor. El agua es calentada hasta la temperatura de aproximadamente 78.08826387 C, disminuyendo con el pasar del tiempo; y al salir con una temperatura aproximada de 29.25397484 C, que regresa hasta el intercambiador de calor de placas en la etapa de calentamiento. Al TRANSFERENCIA DE CALOR Pgina 6
III.
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PARAMETROS TOMADOS Los datos obtenidos en la experimentacin para la corriente de flujo caliente se y para la corriente de flujo frio se encuentran en la TABLA N1.
TABLA N1: Corriente de Flujo Caliente y Corriente de Flujo Frio
Tiempo t 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 Ti
Caliente To Fv Ti
Frio To Fv
78.0882639 29.2539748 20.0171273 19.4551319 67.821966 25.3704279 78.6997822 29.2539748 20.0171273 19.4551319 68.2869342 25.3704279 78.9291016 29.4070147 20.1948399 19.4551319 68.7519023 25.3704279 78.5469026 29.4070147 20.3725525 19.4551319 68.596913 25.3704279 77.7825047 29.2539748 20.0171273 19.4551319 68.4419236 25.3704279 77.0945466 29.4070147 20.1652211 19.4551319 68.1319448 25.3704279 76.8652272 29.2539748 20.1356024 19.4551319 67.821966 25.3704279 76.5594681 29.2539748 20.046746 19.4551319 67.821966 25.3704279 75.489311 28.7948554 19.928271 19.1519128 66.8920297 25.3704279 75.1835518 28.7948554 19.8394147 19.1519128 66.7370403 25.3704279 74.8777927 28.6418155 20.0763648 19.1519128 66.3495669 25.3080036 74.5720335 28.6418155 19.8986522 19.1519128 66.2720722 25.3704279 73.8076356 28.4887757 20.1948399 19.1519128 68.9620934 25.3080036 73.1961173 28.6418155 20.1948399 19.1519128 65.6521147 25.3704279 72.7374785 28.4887757 20.0171273 19.2277176 65.3421359 25.3080036 72.1259602 28.4122558 20.0171273 19.1519128 65.0321571 25.3392158
Donde: Ti es Temperatura de Entrada (C) To es Temperatura de Salida (C) Fv es Flujo Volumtrico (L/min)
IV.
(Ecuacin 2) 3. Dimetro equivalente (De): Este parmetro es de acuerdo a las dimensiones de las placas que conforman las secciones del intercambiador de calor. Este valor es de inters para el clculo del nmero de Reynods.
(Ecuacin 3) Donde: - De es el dimetro equivalente (m) - w es el ancho de la placa (m) - b es la distancia entre las placas (m). 4. Clculo del Nmero de Reynolds: Se calcula el nmero de Reynolds para cada corriente. La ecuacin apropiada para esta operacin es la de flujo que se divide en varias subcorrientes ya que esta es la disposicin en el equipo. El nmero de subcorrientes en las cuales es dividido el flujo es propio de cada etapa y ya se ha especificado previamente (calentador: 5 para el medio de calentamiento y para enfriador: 3 para cada flujo). Al utilizar esta frmula el valor del Reynolds que es la frontera entre el rgimen laminar y el rgimen turbulento es 400.
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(Ecuacin 4) Donde: - Re es un parmetro adimensional - G es el gasto msico de la corriente (kg/s*m2) - n es el nmero de subcorrientes en las que se divide el flujo (canales del arreglo en el intercambiador (adimensional) - es la viscosidad del fluido (kg/m*s) 5. Clculo de la temperatura media logartmica (Tml): El valor de la temperatura media logartmica permite caracterizar la transferencia de calor, en la etapa correspondiente con base en las temperaturas extremas del sistema. La Tml considera la diferencia de temperaturas de las dos corrientes y no solamente de una; el valor que resulta es una representacin de la fuerza impulsora promedio.
(Ecuacin 5) Donde: - Tml est en C, las temperaturas en la formula representan la temperatura de entrada (1) y salida (2) de las corrientes caliente ( c ) y fra ( f ). 6. Clculo del coeficiente global de transferencia de calor (U): Las siguientes ecuaciones se desprenden de las ecuaciones bsicas de balance de energa. Partiendo de la ecuacin: Q =U * A* Tml (Ecuacin 6) y la ecuacin: Q = m * Cp *T (Ecuacin 1) Sabiendo que estos valores de Q son equivalentes, es posible utilizar el valor de Q calculado, el rea de transferencia de calor que es un dato conocido y la Tml del proceso para calcular el valor de U, la ecuacin queda:
(Ecuacin 7) Donde: - U (W/ m2 *K) - A es el rea de transferencia de calor (m2) TRANSFERENCIA DE CALOR Pgina 10
(Ecuacin 9) Donde: - Pr es un parmetro adimensional - K es la conductividad trmica del fluido (W/m*K) c) Clculo del numero de Nussel: El numero de Nussel es la relacin entre el coeficiente de pelcula y la conductividad trmica del fluido.
(Ecuacin 10) El nmero de Nussel es un parmetro adimensional. d) Con la informacin reunida y mediante este algoritmo de clculo se cuenta con suficientes datos para calcular el coeficiente de transferencia de calor convectivo. Se realiza la ecuacin:
(Ecuacin 11) Las unidades de h deben quedar (W/m2*K) TRANSFERENCIA DE CALOR Pgina 11
Donde: - Ut est en (W/m2*K) - x es el espesor de la placa - K en este caso es la conductividad trmica del material de fabricacin de las placas (W/m*K) En trminos generales, el valor terico del coeficiente global de transferencia de calor es importante nicamente como valor de referencia ya que al compararse con los datos de U experimentales resulta menor por lo que no es til para calcular los factores de incrustacin del proceso. Para dicho fin se emplea el valor de U promedio en la etapa estable del proceso, es decir, cuando no hay decremento en U. 9. Clculo del factor de incrustacin (Rd): Para calcular el factor de incrustacin se compara el valor de U mximo experimental (del equipo limpio) con el valor experimental de U. La frmula aplicada (Kern, 1984) es:
Donde: - Umax es el U terico calculado (W/m2*K) - U es el U calculado con datos experimentales (W/m2*K) 10. Clculo de la eficiencia trmica (Eficiencia): La eficiencia es el porcentaje (%) que representa la relacin del desempeo real del equipo con respecto al desempeo ideal (mximo) del equipo. Para realizar el clculo de la eficiencia en cada una de las secciones del proceso se utiliz la ecuacin de Kern (1984), que es la que permiti obtener los resultados ms adecuados. La frmula utilizada involucra las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes fras y caliente esta es:
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Donde: Qcal y Qfrio son los Calores Transferidos en los procesos de calentamiento y enfriamiento Uc y Uf son los Coeficientes de Conveccin en los procesos de calentamiento y enfriamiento. Recal y Refrio son los Reynolds obtenidos en los procesos de calentamiento y enfriamiento. Prcal y Prfrio son los Nmeros de Prants Obtenidos en los procesos de calentamiento y enfriamiento. Nucal y Nufrio son los Nmeros de Nussel obtenidos en los procesos de calentamiento y enfriamiento. fcal y ffrio son los Coeficientes de Friccin obtenidos en los procesos de calentamiento y enfriamiento.
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El intercambiador de calor de placas de la planta perteneciente a la empresa Gloria S.A. es de gran utilidad debido a las ventajas otorgadas por esta unidad, las cuales son que el intercambiador de calor de placas puede desempear la funcin de mezclado, al poseer dos tanques de almacenamiento se mejora el manejo de la materia prima y el producto. La caracterstica del tubo de retencin de poder funcionar como intercambiador de doble tubo, ampla las aplicaciones del equipo. Gracias a su elevada eficacia, el intercambiador de calor de placas de ALFA LAVAL T2-BFG conserva el espacio y la carga sobre el piso ms all de lo posible con un intercambiador de carcasa y tubos de potencia idntica. El intercambiador de calor de placas ALFA LAVAL T2-BFG de puede caber en 20 % a 50 % del espacio de un intercambiador de carcasa y tubos, incluido el espacio de mantenimiento y servicio. Este espacio compacto usa los espacios reducidos de manera productiva, lo que es especialmente importante para las expansiones de produccin. Gracias a su peso ms liviano, el transporte y el montaje son menos costosos.
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http://www.buenastareas.com/ensayos/Intercambiador-De-Placas/5169337.html http://es.scribd.com/doc/31521455/intercambiador-de-placas http://infoplc.net/files/documentacion/control_procesos/infoPLC_net_ControlProcesos.pdf http://pdf.directindustry.com/pdf/alfa-laval/t2-plate-heat-exchanger/16602-133009.html http://www.buenastareas.com/ensayos/Intercambiador-De-Placas/5169337.html http://www.buenastareas.com/ensayos/Control-De-Temperatura-De-UnIntercambiador/126444.html http://www.slideshare.net/Lidia1289/intercambiadores-de-calor-13021796 Manual tcnico Edicin 0805 Documento n TeM-1230502-0502 2.1b1230502_0502_fro.fm Tetra Pak TeM Tetra Spiraflo Tetra Spiraflo CIP & Water Heater Intercambiador de calor tubular para calentamiento. http://www.radiadoresgallardo.cl/topintercambiaodres.pdf http://www.comeval.es/pdf/cat_tec/intercambiadores/intercambiadores_A4_esp.pdf http://web.usal.es/~tonidm/DEI_07_comp.pdf https://www.google.com.pe/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=12&cad=rja&sqi=2& ved=0CGwQFjAL&url=https%3A%2F%2Fwww.ucursos.cl%2Fingenieria%2F2006%2F2%2FIQ53D%2F1%2Fmaterial_docente%2Fobjeto%2F1044 21&ei=JMjQUfy8NonC4APF2oGwCw&usg=AFQjCNELRXWR2wNn0Y95nuS57IiFQ3cRDA&sig2=C wc64maxSU1qZ3f9YZHjRA
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Medicin de la diferencia de presin en el intercambiador de calor de placas Transmisor de presin VEGABAR 55 con conexin alimentaria y carcasa de acero inoxidable
Supervisin de la temperatura en un intercambiador de calor Finalidad En los procesos de calentamiento indirecto se utilizan los intercambiadores de calor para la transmisin del mismo. Se distingue entre intercambiadores de calor de placas, tubulares o de superficie rascada. La correcta supervisin y el mantenimiento de la temperatura son extremadamente importantes para el fluido que se va a detectar. Puesta en prctica Para la supervisin de la temperatura del proceso se integran en la aplicacin sensores de temperatura aspticos tipo TM de ifm en combinacin con unidades de evaluacin TR. Ventajas para el cliente Las sondas de temperatura tipo TM con certificado EHEDG estn destinadas para ser instaladas en depsitos y tuberas en aplicaciones aspticas. El elemento de medicin, de la clase de precisin A segn IEC 751, garantiza una alta precisin. La punta cnica de la sonda proporciona un buen tiempo de reaccin. Los materiales utilizados tambin son resistentes a los fluidos agresivos. Las sondas tipo TM se conectan por medio de cables de conexin a unidades de evaluacin tipo TR. TRANSFERENCIA DE CALOR Pgina 19
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