practica en planta piloto de un intercambiador de calor

VII CAIQ 2013 y 2das JASP
PRACTICA EN PLANTA PILOTO DE UN INTERCAMBIADOR DE
CALOR
S.E. Zamora1*, J. Martínez2, A. Bonomo2, A. Riveros Zapata3, R.V. Bojarski2 & C.
Sastre1.
1
Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería
(Universidad Nacional de Salta - UNSa.)
Avda Bolivia 5150 - 4400 Salta - Argentina
E-mail: szamora@unsa.edu.ar
2
INIQUI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.
(Universidad Nacional de Salta - CONICET)
E-mail: julemartinez@unsa.edu.ar, abonomo@unsa.edu.ar
3
INBEMI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.
(Universidad Nacional de Salta)
E-mail: ariveros@unsa.edu.ar
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
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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
Q1  WCp(T 1  T 2)
(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).
Q1  W
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
(2)
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
Donde λ es el calor latente del vapor saturado a las condiciones de operación.
Para el fluido frío se presenta la Ec. (3).
Q 2  wcp(t 2  t1)
(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.
Q1  Q 2  Q
(4)
La siguiente es la ecuación de dimensionamiento:
W  wcp(t 2  t1)
(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.
Qt  Q   Perdidas
(6)
La ecuación de diseño es:
Q  U A T
(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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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:
T  Fc TMLDT
TMLDT 
(T 2  T 1)
T 2
ln
t1
(8)
(9)
Donde:
T 2  T 1  t 2
(10)
T 1  T 2  t1
(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).
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
W
wcp (t 2  t1)
(12)

El perfil de temperaturas esperado en función de la trayectoria de los fluidos se
presenta en la Figura 5.
T1
T2
t2
t1
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
Tabla 1. Condiciones del Vapor y Agua Fría, para cada ensayo
Experiencia
Condiciones
Condiciones de
Caudal de la corriente
del vapor
la corriente fría
fría
T1= 379,6 K
t1= 304,6 K
w1=782,4 kg/hr
T2= 374,3 K
t2= 352,3 K
1
Re1=8,063x104
T1= 371,6 K
t1= 307,0 K
w2=1,045x103 kg/hr
2
T2= 370,7 K
t2= 342,1 K
Re2=1,077x105
T1= 367,0 K
t1= 307,3 K
w3=1,323x103 kg/hr
3
T2= 366,1 K
t2= 335,1 K
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
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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:
Umed  2,554 x10 3
J
s m2 K
(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.
Experiencia
1
2
3
Tabla 3.
Área de transferencia de calor
calculada (A)
0,409 m2
0,500 m2
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
Tabla 4.
Experiencia
Coeficiente global de transferencia
de calor (U)
2,384x103 J/m2 s K
2,048x103 J/m2 s K
1,984x103 J/m2 s K
2,555x103 J/m2 s K
1
2
3
Valor obtenido de
bibliografía
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
1
2
3
Valor obtenido de
bibliografía
Factor de obstrucción
2,25x10-4 s m2 K /J
3,097x10-4 s m2 K /J
3,202x10-4 s m2 K /J
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).
Nu  0,0027 Re
0 ,8
Pr
1/ 3
  


 w 
0 ,14
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
(14)
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
U vs. Re
U Coef. global de transferencia de calor U (J/m2 s K)
3
2.410
3
2.38410
3
2.310
3
2.210
U
3
2.110
3
210
3
1.98410
3
1.910
4
810
5
5
110
8.06310
4
1.210
5
1.410
Re 1.363105
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ