TEMA:
SIMULACIÓN
DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA PARA EL DESINFECTADO DE MATERIA
PRIMA EN UNA EMPRESA AGROINDUSTRIAL SITUADA EN PEPA DE HUSO.
INTRODUCCIÓN
Los
intercambiadores de Calor son uno de los equipos más comunes encontrados en la
mayoría de industrias. Existen varios tipos de intercambiadores de calor y
actualmente alrededor del mundo se ofrece en el mercado varios diseños de
estos. Sus orígenes radican en el estudio de la transferencia de calor y
cantidad de movimiento como una forma necesaria para el aprovechamiento de
energía. El papel del intercambiador de calor es transferir la energía térmica
de un fluido a otro sin mezclarlos.
En la industria de
proceso es común encontrar operaciones que comprenden la transferencia de calor
hacia o desde algún fluido, con el objeto de calentar, enfriar y/o provocar un
cambio de estado . Se puede definir a los intercambiadores de calor como
aquellos equipos en los que se transfiere energía térmica entre dos o más
fluidos que ingresan a diferentes temperaturas.
JUSTIFICACIÓN
Como futuros
ingenieros industriales, debemos tener un buen conocimiento y comprensión de la
importancia de los procedimientos de operación, mantenimiento e inspección de
nuestros equipos industriales, porque nuestra responsabilidad principal es
operar la planta de la manera más eficiente y flexible. Por este motivo,
debemos tener un mejor aprovechamiento de la energía térmica en el proceso, por
lo tanto, esto evitará que cerremos la planta con demasiada frecuencia y a
largo plazo.
En el ámbito
industrial, el presente proyecto se enfocará en analizar un intercambiador de
calor de corazas y tubos, para ver el funcionamiento de acuerdo con los datos
establecidos en la ficha técnica del mismo, y observar cómo se ha manejado
hasta ahora mediante los cálculos posteriormente realizados del ejercicio,
además de ellos entender el sistema para diseñar un diagrama del dispositivo de
intercambiador de calor.
En el sector industrial es muy común encontrase con operaciones que están inmersas con la transferencia de calor desde algún fluido a otro, con el objetivo de calentar, enfriar, condensar y/o evaporar. Estas se ayudan de lo que conocemos como “Intercambiadores de Calor” que son aquellos equipos que transfieren energía termina entre dos o más fluidos que ingresan a diferentes temperaturas sin mezclarse, puesto que se encuentran separador por una barrera sólida y no hay una fuente interna de calor, excluyendo así hornos, quemadores, calefactores, etc.
¿Qué es el Calor?
Es la forma de energía que se transfiere espontáneamente entre diferentes
cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas
temperaturas, sin embargo, en termodinámica generalmente el término calor
significa simplemente transferencia de energía.
Transferencia de calor
La transferencia de calor es el fenómeno de transmisión de la energía que se genera cuando existe un gradiente de temperatura entre dos regiones, actuando como una fuerza impulsora; el calor como energía en tránsito fluye de la región de alta temperatura a la de temperatura más baja. La transferencia de calor puede verificarse por tres mecanismos de transferencia: conducción, convección y/o radiación.
Conducción
Convección
Radiación
Intercambiadores De
Calor
Los intercambiadores de calor son
aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se
encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen
entre sí.
- Flujo Paralelo
- Contraflujo
- Flujo Cruzado
Intercambiador de Calor NO-Regenerativo
Intercambiador de calor de placa
Partes de un Intercambiador de Calor
MÉTODO
DE KERN
Este método ha
sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos años. Las
correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la pérdida de
carga se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del
25% (una decisión acertada porque en la mayoría de los casos es el mejor
diseño).
La predicción de
la transferencia de calor varía entre ligeramente insegura (valor superior al
real) y muy segura (valor inferior al real). Mientras que las predicciones de
la pérdida de carga se sitúan en el lado de seguridad con errores superiores al
100%.
Flujo Másico:
Número de Nusselt:
Factor de Corrección: El factor de corrección en un intercambiador de calor se lo puede definir como una medida de la desviación de la variación media de la temperatura.
ORANGE
CHENT. Es una empresa situada en el sitio pepa de huso la cual requiere
implementar un intercambiador de calor (con un paso por la coraza y dos pasos
por los tubos) en su línea de proceso para la elaboración del jugo de naranja
este proceso productivo está compuesto por la recolección de la materia (La
empresa la produce) el prelavado la selección, clasificación, lavado,
extracción, mezcla, filtrado, centrifugado, desairado, pasteurización,
enfriamiento y envasado. Dentro del subproceso de lavado se requiere que sea
desinfectado a través de una regadera mediante una presión determinada con agua
a una temperatura de 36.97 °C la cual ingresa a los tubos a una temperatura de
29 °C se debe cumplir con esta característica para el correcto desinfectado de
la fruta. Para alcanzar la temperatura se debe ingresar por el lado de la
coraza un fluido caliente a una temperatura de 89 °C y una vez realizado el
proceso de intercambio de calor el fluido disminuirá su temperatura a 69.08 °C.
A
partir de eso es necesario encontrar un intercambiador de calor que cumpla las
siguientes características:
1. Que la corriente de agua CALIENTE pase de 89 a 69.08 °C
2. Que la corriente de agua FRIA pase de una temperatura de 29 a 36.97 °C
PLANTEAMIENTO
DEL PROBLEMA
ORANGE
CHENTE es una empresa agroindustrial ubicada en pepa de huso, que procesa jugos
de naranja, el proceso de producción arranca desde la cosecha de la fruta hasta
la distribución del producto terminado. Dentro de su línea de producción tiene
la necesidad de eliminar la carga bacteriana con la que la fruta llega a las
instalaciones ya que una vez recogida de sus huertos esta pasa directamente al
proceso. Para poder cumplir con las características de desinfección adecuada se
requiere que el agua que se use para esta tarea está a 36.97 °C y además que se
realice a través de un lavado a presión. Para ello la empresa cuenta con un
intercambiador de calor de tubos y corazas (con 2 pasos por los tubos y uno por
la coraza) el mismo que en su interior cuenta con 5 tubos, por el lado de los
tubos se ingresa agua fría a 29°C mientras que por el lado de la coraza de
acuerdo a la ficha técnica se debe ingresa agua caliente a 89°C la misma que
saldrá a una temperatura de 69.08°C esta agua es almacenada ya que se reutiliza
para el riego de los huertos de la empresa. La empresa desea estimar si los
datos que se muestran en la ficha técnica son correctos y así evitar problemas
en la implementación del intercambiador en su línea de producción por lo que es
necesario determinar:
a)
El calor especifico de las corrientes y la temperatura
de entrada del fluido caliente para así alcanzar las temperaturas de saluda
requerida.
b)
Determinar la temperatura media logarítmica del
intercambiador de calor con su respectivo factor de corrección y calor de
intercambio.
c)
En función de las temperaturas halladas, determinar el
coeficiente de conductividad de las corrientes, viscosidad dinámica, densidad y
numero de Prandtl.
d)
Determinar las dimensiones de los tubos y la dimensión
de la carcasa del intercambiador.
e)
Determinar el coeficiente de calor en el lado del tubo
Hi y He
f)
Determinar el coeficiente global de transferencia de
calor.
MODELADO
EN 3D
CONCLUSIONES GENERALES
Desde
el punto de vista general, este trabajo ha servido para comprobar la utilidad
de los conceptos estudiados en clase, fundamentalmente en Operaciones Unitarias
ya que con todos los conocimientos adquiridos se pudieron llevar a la práctica
realizando un proyecto comenzado desde cero.
RECOMENDACIONES
Como
recomendación para ejecutar un proyecto de dicha índole se recomienda verificar
los valores de la ficha técnica que se vayan a usar , debido a que la dicha
ficha técnica elegida puede no llegar a tener los datos pertinentes para los
respectivos cálculos, se puede complicar y no llegar a calcular lo deseado por
falta de información.
Adicionalmente se debe también tomar en consideración las unidades con las que se trabaja, ya que existen datos que no se encuentren en las unidades correspondientes el resultado no será el indicado.
