practica en planta piloto de un intercambiador de · pdf file... intercambiador de calor,...

VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

PRACTICA EN PLANTA PILOTO DE UN INTERCAMBIADOR DE

CALOR

S.E. Zamora1*, J. Martínez2, A. Bonomo2, A. Riveros Zapata3, R.V. Bojarski2 & C.

Sastre1. 1Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería

(Universidad Nacional de Salta - UNSa.)

Avda Bolivia 5150 - 4400 Salta - Argentina

E-mail: [email protected] 2 INIQUI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.

(Universidad Nacional de Salta - CONICET)

E-mail: [email protected], [email protected]

3 INBEMI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.

(Universidad Nacional de Salta)

E-mail: [email protected]

Resumen: Entre las operaciones unitarias en una planta de procesos

químicos, las operaciones de transferencia de calor son de las más comunes.

Para este fin se dispone de diferentes tipos de equipos en los que es posible

intercambiar calor entre dos fluidos. Dada la importancia de este tipo de

operación, es fundamental el aprendizaje del diseño y dimensionamiento de

intercambiadores de calor en un curso de grado de la carrera de Ingeniería

Química. En la asignatura Operaciones Unitarias II, correspondiente al

cuarto año de la carrera de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería

de la Universidad Nacional de Salta, se enseña a los estudiantes a diseñar

diferentes equipos, entre ellos intercambiadores de calor.

Las ideas previas en el aprendizaje significativo son fundamentales. Esto es

muy importante ya que el conocimiento se construye cuando se le otorga

significado. Según Piaget, atribuir significado a lo que se aprende, es

* A quien debe enviarse toda la correspondencia


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

establecer relaciones entre las ideas previas y las nuevas, asimilarlas y

acomodarlas, es un proceso constructivo, gradual y situado. Cuantas más

relaciones se establezcan, más se construye el conocimiento. Por lo recién

expuesto el trabajo en planta piloto brinda el espacio propicio para que el

estudiante, afiance los conocimientos adquiridos y se desenvuelva

socialmente en un contexto de colaboratividad.

Palabras clave: Intercambiador de Calor, Practica, Planta Piloto.

1. Introducción:

1.1. Objetivos del trabajo de Planta Piloto

En la asignatura se desarrollan prácticos en Planta Piloto, correspondiendo uno de

ellos a intercambio térmico. Este trabajo práctico, permite al alumno visualizar en forma

concreta, la problemática que se presenta durante la operación del equipamiento

industrial. El equipo empleado es una unidad de baja capacidad de intercambio de calor,

básicamente debido a una reducida área de transferencia de calor. El estudiante enfrenta

situaciones reales tales como perdidas de calor, debiendo evaluar su importancia y

determinar cómo se ven afectados los cálculos teóricos si estos u otros problemas de

operación son solucionados o permanecen durante la experiencia.

La metodología propuesta a los alumnos consiste en el abordaje del estudio del

sistema de intercambio térmico, verificando en primer instancia las condiciones

operativas propuestas, por medio de un cálculo ordinario, que consiste en determinar el

área de transferencia disponible, proponiendo un valor de coeficiente global de

transferencia de calor (U) y en segunda instancia se opera el mismo hasta lograr las

condiciones de estado estacionario, conociendo los valores de las temperaturas y

caudales de las distintas corrientes, entrantes y salientes, que permiten el calculo del

coeficiente de transferencia de calor real del equipo (Ud), y por ultimo comparando los

dos valores determinados, conjuntamente con una opinión técnica de las condiciones

operativas del intercambiador de calor.



1.2. Equipo utilizado

Se dispone de un intercambiador de calor de carcasa y tubo del tipo 1:1, un paso por

carcasa y uno por los tubos, cuyas características técnicas son las siguientes:

Carcasa tipo X (Clasificación según Normas TEMA).

Cabezales móviles, tipo U en el extremo de entrada y salida de las tomas de

alimentación y descarga con brida soldada a la carcasa, tapa y junta y ciego en el

extremo posterior con brida soldada a la carcasa y junta (ver Fig.1 y 2 )

Fig. 1. Intercambiador de calor, tubos internos



Fig. 2. Tubos internos

Tubos

Área de transferencia de calor = 4338,7 cm2

Área adicional = 1500 cm2

Número de tubos (n)= 1

Diámetro exterior (de) = 12 mm. (0,47 pulgadas).

Diámetro interior (di) = 9 mm. (0,37 pulgadas).

Material = Acero al carbono.

Longitud (L) = 1045 mm. (41,1 pulgadas).

Carcasa

Diámetro interior (Di) = 71 mm. (28 pulgadas).

Longitud (L) = 1045 mm. (41,1 pulgadas).

Material = Chapa de acero de 1,5 mm.

El equipo presentado en Figura 3, queda clasificado según normas TEMA como

0.233-3.425 XU.



Fig. 3. Intercambiador de calor utilizado en la práctica.

1.3. Esquema del equipo y puntos de control

El equipo empleado posee incorporados tres sensores de temperatura (Pt100), un

sensor de presión y cuatro electroválvulas. La toma de datos de la instrumentación y

accionamiento del equipo se realiza con un sistema SCADA (Supervisory Control And

Data Adquisition) Novus, controlado mediante el software Superview. En la Figura 4 se

presenta la pantalla principal del Superview, en la cual se observa un esquema

simplificado de la planta, donde se han incluido ventanas para visualizar, en tiempo real,

cada variable medida. Se ha implementado una ventana “Set Point”, editable, que

permite variar el punto de trabajo (por ejemplo la temperatura de salida del agua luego

de atravesar el intercambiador, ICT3). Existen ventanas emergentes de alarmas

(temperatura máxima de agua, de caudal de agua nulo, de presión de vapor máxima, de

autotunning). En la pantalla principal pueden ser visualizados los datos de temperatura

(ICT), de presión (ICP) y caudal (ICV). Donde ICT1 (T1) e ICT2 (T2) son las

temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido caliente, y donde ICT4 (t1)

e ICT3 (t2) son las temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido frío.



Fig. 4. Esquema simplificado de la Planta Piloto en Superview

1.4. Fluidos utilizados:

En el equipo se utilizó como fluido calefactor, vapor de agua saturado, generado en

una caldera humotubular, regulado a una presión máxima de operación de 2,5 atm, a la

salida de caldera. Esta presión puede ser regulada a la entrada del equipo, según sea

necesario.

El fluido frío es agua proveniente de un sistema de agua de refrigeración con torre de

enfriamiento de tiro forzado. La temperatura de entrada al intercambiador de calor es

regulada por la torre de enfriamiento (equipo amarillo en Fig. 3). El caudal de agua

utilizado puede ser modificado con amplia libertad mediante un variador de frecuencia

que comanda una bomba de recirculación de 1 Hp.

El caudal de agua que circula por los tubos, es calculado en función de las

velocidades máximas aconsejadas en bibliografía según la sección de flujo disponible

de 1 a 2 m/s.

2. Fundamentos Teóricos

El intercambiador de calor disponible se clasifica de acuerdo a su proceso de

transferencia de calor como de contacto indirecto (las corrientes se encuentran



separadas y el calor es transferido a través de una pared divisoria) y a su vez como se

mantiene un flujo constante de calor a través de esta pared se denominan de

transferencia directa.

Desde el punto de vista del modelo matemático que representa esta transformación

puede clasificarse como un sistema continuo de cambio continuo (CCC), aplicándose el

modelo de flujo pistón, también denominado modelo del gradiente máximo.

El objetivo primario de una verificación consiste en estandarizar un procedimiento

que conduce e interpreta las pruebas de operatividad del equipo.

Estas pruebas pueden ser realizadas por las siguientes razones:

1) Controlar la eficiencia garantizada por el fabricante.

2) Controlar la performance que puede ser esperada bajo las condiciones de diseño.

3) Controlar el comportamiento del equipo bajo condiciones de operación que

difieren marcadamente de las condiciones de diseño.

4) Controlar las condiciones del equipo considerando las condiciones de

ensuciamiento y/o necesidades de mantenimiento.

Haciendo un resumen de las principales ecuaciones que gobiernan el diseño y

dimensionamiento de este tipo de equipamiento pasamos a una descripción de las

mismas.

Tenemos el balance de energía para ambos fluidos, para el fluido calefactor, Ec. (1),

si no hay cambio de fase

)21(1 TTWCpQ (1)

Donde W es el flujo másico del fluido calefactor, Cp calor específico de dicho fluido,

T1 y T2 temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido caliente. Si el

fluido cambia de fase, como es el caso del vapor saturado, el balance esta representado

por la Ec. (2).

WQ 1 (2)



Donde λ es el calor latente del vapor saturado a las condiciones de operación.

Para el fluido frío se presenta la Ec. (3).

)12(2 ttwcpQ (3)

Donde w es el flujo másico del fluido frio, cp calor específico de dicho fluido, t1 y t2

temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido frío.

Como suponemos que el sistema es adiabático, el calor cedido por el fluido que se

enfría o condensa es igual al calor añadido al fluido que se calienta.

QQQ 21 (4)

La siguiente es la ecuación de dimensionamiento:

)12( ttwcpW (5)

En un caso práctico, se debe recordar que el calor cedido por el fluido que se enfría o

condensa es igual al calor añadido al fluido que se calienta, más las pérdidas al exterior.

PerdidasQQt (6)

La ecuación de diseño es:

TAUQ (7)

El calor transferido Q, es proporcional a la diferencia de temperaturas entre los dos

fluidos ∆T, el área de intercambio A, y el coeficiente global de transferencia de calor U.



Adoptamos como superficie de transmisión de calor para el cálculo, la superficie

externa de los tubos del haz de intercambio.

A los efectos del intercambio ∆T es la diferencia de temperaturas real, valor que debe

ser calculado como el producto de un factor de corrección, Fc, por la diferencia media

logarítmica de temperaturas definida como:

MLDTTFcT (8)

1

2ln

)12(

t

TTT

TMLDT

(9)

Donde:

212 tTT (10)

121 tTT (11)

Tenemos que T2 se define como la máxima diferencia de temperaturas, o diferencia

en el extremo caliente y T1 se define como la menor diferencia de temperaturas o

diferencia en el extremo frío. Fc Factor de corrección que se obtiene de gráficas (Kern,

D.Q., (2005)) en este caso particular este factor es igual a 1. Esto se debe a que el

intercambiador de calor es un paso por carcasa y un paso por tubos, y trabaja en

contracorriente verdadera.

Al utilizar como fluido calefactor vapor de agua saturado y suponer que no existen

pérdidas energéticas se puede calcular el caudal de vapor a partir de la Ec. (5).



)12( ttwcpW

(12)

El perfil de temperaturas esperado en función de la trayectoria de los fluidos se

presenta en la Figura 5.

t1

t2

T1

T2

Fig. 5. Perfil de temperatura

3. Desarrollo de la Práctica

La práctica se desarrolló de manera de poder verificar el valor del área de

transferencia de calor, proponiendo un valor de coeficiente global de transferencia de

calor, para el sistema vapor-agua. Y en segunda instancia calcular el valor verdadero del

coeficiente global del intercambiador de calor, ya que el área real del intercambiador es

dato. En Tabla 1 se presentan las condiciones de vapor y de la corriente fría, y los

caudales de la corriente fría (w) de las experiencias realizadas en planta.



Tabla 1. Condiciones del Vapor y Agua Fría, para cada ensayo Experiencia Condiciones

del vapor Condiciones de la corriente fría

Caudal de la corriente fría

T1= 379,6 K t1= 304,6 K 1 T2= 374,3 K t2= 352,3 K

w1=782,4 kg/hr Re1=8,063x104

T1= 371,6 K t1= 307,0 K 2 T2= 370,7 K t2= 342,1 K

w2=1,045x103 kg/hr Re2=1,077x105

T1= 367,0 K t1= 307,3 K 3 T2= 366,1 K t2= 335,1 K

w3=1,323x103 kg/hr Re3=1,363x105

Re: Número de Reynolds. El caudal de vapor (W) determinado por cálculo y presión (P) medida se presenta en

Tabla 2.

Tabla 2. Caudales y presiones del vapor

Experiencia Caudal de vapor de calefacción Presión de alimentación al equipo

1 W1 = 68,90 kg/hr P = 1,064 bar abs.

2 W2 = 60,40 kg/hr P = 1,030 bar abs.

3 W3 = 58,89 kg/hr P = 1,013 bar abs.

3.1. Verificación del Área de intercambio La información que se requiere para realizar este cálculo es identificar los fluidos,

sus propiedades físicas, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica.

Se opera el equipo de intercambio, para una dada presión de vapor, se fija el caudal

de agua a utilizar y su temperatura de entrada al intercambiador de calor (t1), se alcanza

el estado estacionario, en esta situación se mide la temperatura de salida del agua (t2).

Mediante la Ec. (3) se calcula el calor transferido por el vapor al agua. De bibliografía

se obtiene el valor de coeficiente global para este sistema, está en un rango entre 1,136 x

103 J/s.m2 y 3,975 x 103 J/s.m2, elegiremos un valor medio. Con la Ec. (7) calculamos el

área de intercambio.

Las áreas de intercambio determinadas a través de la ecuación de diseño empleando

un valor del coeficiente de transferencia global de calor obtenido a partir del valor



medio entre el máximo Umax = 3,975 x103 J / s m2 K y mínimo Umin = 1,136 x 103 J /

s m2 K especificado en bibliografía para los fluidos involucrados es:

Kms

JxUmed

2310554,2 (13)

El empleo de este valor de U y los datos experimentales obtenidos de las tres

experiencias realizadas permiten determinar los siguientes valores calculados para el

área de transferencia de calor, Tabla 3.

Tabla 3.

Experiencia Área de transferencia de calor calculada (A)

1 0,409 m2 2 0,500 m2 3 0,398 m2

El valor real del área de transferencia del equipo es AR = 0,434 m2 y es el utilizado

para la determinación de los U experimentales.

3.2. Calculo del valor verdadero del coeficiente global

El mejor chequeo de la eficiencia de un intercambiador de calor es la determinación

del coeficiente global de transferencia de calor. Para este cálculo, se opera el

intercambiador en idénticas condiciones que las anteriores, procediéndose al cálculo del

calor transferido con la Ec. (3), teniendo de dato el área de transferencia real del

intercambiador, que es igual a 0,434m2, con la ecuación de diseño, Ec. (7), se calcula el

valor del coeficiente real de transferencia de calor, resultado que se presenta en Tabla 4.



Tabla 4.

Experiencia Coeficiente global de transferencia de calor (U)

1 2,384x103 J/m2 s K 2 2,048x103 J/m2 s K 3 1,984x103 J/m2 s K

Valor obtenido de bibliografía

2,555x103 J/m2 s K

De acuerdo a los cálculos de los coeficientes globales de transferencia de calor real

del equipo que se resume en la Tabla 4 y en base al cálculo del coeficiente global de

transferencia de calor limpio, se puede calcular el factor de obstrucción del equipo. Los

valores obtenidos se presentan en Tabla 5.

Tabla 5.

Experiencia Factor de obstrucción

1 2,25x10-4 s m2 K /J 2 3,097x10-4 s m2 K /J 3 3,202x10-4 s m2 K /J

Valor obtenido de bibliografía

1,761x10-4 s m2 K /J

Observando los valores, puede verse que los factores de obstrucción calculados, son

mayores que los valores propuestos por Kern (2005), para fluidos de la misma

característica.

El cálculo del coeficiente global de transferencia de calor limpio depende de los

fluidos que intervienen en el proceso. Para el vapor de calefacción se tomo un valor de

coeficiente pelicular 8,517x103 J/(m2 s K) (Kern, (2005)) y para el agua se calculo

según la correlación para flujo turbulento, Ec. (14).

14,0

3/18,0 PrRe0027,0

w

Nu

(14)



Donde Nu es el número de Nusselt, Pr es el número de Prandtl, μ la viscosidad del

agua a la temperatura media de trabajo y μw la viscosida a la temperatura de pared del

tubo.

En la Figura 6 se presenta gráficamente la relación del Coeficiente global de

transferencia de calor (U) versus el número de Reynolds (Re). Donde se observa que a

medida que aumenta el Re aumenta el coeficiente (U), o sea a mayor turbulencia

aumenta U y en flujos laminares los valores de U son bajos.

8 104 1 10

5 1.2 105 1.4 10

51.9 10

3

2 103

2.1 103

2.2 103

2.3 103

2.4 103

U vs. Re

Re

U C

oef.

glo

bal d

e tr

ansf

eren

cia

de c

alor

U (

J/m

2 s

K)

2.384 103

1.984 103

U

1.363 1058.063 10

4 Re

Fig. 6. U vs Re

4. Conclusiones

La correlación para la determinación del coeficiente pelicular de transferencia de

calor por el interior de los tubos es una función del número de Re y del Pr elevados a

sendos coeficientes, las variables geométricas D y las propiedades del fluido empleado

pueden ser consideradas constantes en el rango de temperaturas de trabajo.



Podemos decir que la variación de U observado en la gráfica U vs. Re representa

fielmente lo que ocurre dentro del equipo al cambiar el caudal del fluido frío única

variable de operación que se modificó.

El intercambiador se encuentra térmicamente aislado del medio ambiente, además

cuando se considera que el calor entregado es muy superior a las pérdidas de calor esta

variable puede ser desestimada para el cálculo.

Si analizamos el valor tanto de las áreas obtenidas como de los coeficientes globales

de transferencia de calor y los coeficientes de ensuciamiento, podemos concluir que la

diferencia existente entre los valores determinados de los datos experimentales con los

obtenidos a partir del coeficiente global adoptado de datos bibliográficos se encuentran

dentro de un rango de errores aceptables para determinaciones de este tipo.

El trabajo de planta piloto forma parte de la enseñanza integral de la asignatura, junto

con la teoría impartida y las clases de trabajos prácticos con resolución de problemas

tipos, los alumnos en la presente práctica de planta piloto pudieron realizar cálculos

sobre un equipo existente. Considerando que los procesos de aprendizaje, son

constructivos e interactivos, consecuentemente se aprende mejor en contextos sociales

de colaboratividad, el alumno a través del trabajo de planta logró construir el

conocimiento otorgándole significado. El buen aprendizaje debe producir en el

estudiante cambios duraderos, debe poder utilizar lo aprendido en otras situaciones, es

por esto que los trabajos de planta piloto complementan el trabajo desarrollado en el

aula, simulando experiencias que podrían darse en una situación real.

Es importante la incorporación de diferentes habilidades y aptitudes durante la

formación del estudiante de Ingeniería Química, ya que en sus futuros trabajos, como

profesionales, deberán demostrar el conocimiento adquirido de los principios básicos de

la ingeniería química y además ser creativos a la hora de solucionar problemas que se

presentan en la práctica cotidiana. El presente trabajo contribuye a la adquisición de

habilidades importantes para su posterior desempeño dentro de las industrias de

procesos.



Referencias

Cao Eduardo (2006), Transferencia de calor en ingeniería de procesos, Nueva Librería.

Cool, C., (1990). Significado y sentido en el aprendizaje escolar. Reflexiones en torno al

concepto de aprendizaje significativo en Aprendizaje escolar y construcción del

conocimiento, Paidós Educador, Buenos Aires.

Edden, P. y Kauchak, D., (1999). Habilidades para enseñar y enseñar a pensar en

estrategias docentes. Enseñanza de contenidos curriculares y desarrollo de habilidades

de pensamiento, Fondo de Cultura Económica, Buenos Aires.

Fraos Ozisik (1965), Heat Exchanger Desing, Jhon Wiley & Sons.

Gareca, S., (2010). Apuntes de Especialidad en Docencia Universitaria. Seminario: el

Aprendizaje Institucionalizado en la Universidad. Facultad de Ciencias de la Salud.

Universidad Nacional de Salta. Salta.

Himmelblau-Bischoff, (1976), Análisis y simulación de Procesos, Reverté.

Incropera, Frank P. y DeWitt, David P. (1990), Fundamentals of Heat and Mass

Transfer, John Wiley & Sons.

Kern, Donald Q., (2005). Procesos de Transferencia de Calor. McGraw Hill Book Co.

Inc. Mexico.

Lindon C. Thomas, (1990), Heat Transfer, PTR Prentice Hall New Jersey.

Ludwing D. A. (1979), Applied Process Desing for Chemical and Petrochemical Plants,

- Vol I,II y III- Gulf.

Rohsenow W. M. y Hartnett J. P., (1985), Handbook of Heat Applications, McGraw –

Hill.

practica en planta piloto de un intercambiador de · pdf file... intercambiador de calor,...

Documents