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Instituto Tecnológico de Zitácuaro INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

ING. DANIEL SOSA GUERRERO

ALUMNA DARIAN ANDREA MENDOZA REYES

ASIGNATURA OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR

TRABAJO INTERCAMBIADORES DE CALOR

GRADO Y GRUPO 5°”G”

FECHA DE ENTREGA 01 DE DICIEMBRE DEL 2019

ÍNDICE

I.

INTERCAMBIADORES DE CALOR ............................................................ 3

II. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ........................................... 3

III. COMPACTO ................................................................................................ 9

IV. TUBOS COMPACTOS Y CORAZA ........................................................... 11

V. PLACAS Y ARMAZÓN .............................................................................. 21

VI. REGENERATIVO ...................................................................................... 27

VII. CONDENSADORES Y CALDERAS .......................................................... 31

Referencias ...................................................................................................... 38

I.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor consisten en el intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separado por una pared sólida. Los intercambiadores de calor son muy usados en procesos aplicados a la ingeniería, como son: refrigeración, aire acondicionado, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico. Un ejemplo básico de un cambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

II.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor, los cuales varían dependiendo la configuración geométrica del flujo y su tipo de construcción; en el cual son los siguientes:



Tubos concéntricos o doble tubo

Es el tipo más simple de intercambiador de calor que consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, ensamblado uno dentro del otro, en el cual los fluidos fluyen de manera diferente: uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Figura 1. Intercambiador de calor de tubos concéntricos industrial.

3

En este tipo de dispositivo el fluido caliente pierde calor entrando al intercambiador por el tubo interno, y el fluido frio adquiere calor pasando por la sección anular, comúnmente conocida como encamisado. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos se componen principalmente de horquillas como se muestra en la Figura 2, las cuales son un arreglo de tubos en forma de U, conformadas por accesorios que cumplen la función de separar los fluidos de trabajo. Estas horquillas se pueden ensamblar de diferente forma, dependiendo de los materiales disponibles o del diseño propuesto para una determinada necesidad. Esquema y partes

Figura 2. Componentes principales de un intercambiador de calor de tubos concéntricos. 1

Presastopas tubo exterior

2

T de conexión

3

Unión roscada

4

Codo en U

5

Prensaestopas tubo interno

6

Tubo conector

7

Tubo exterior

8

Entrada tubo interno

9

Salida tubo externo

10

Presaestopas de paso

11

Entrada tubo externo

12

Tubo externo

13

Salida tubo externo

4

Tabla 1. Lista de componentes de un intercambiador de calor de tubos concéntricos.

Configuraciones de la dirección de fluidos Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos 

Contracorriente: los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.



Paralelo: entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido.

Figura 3. Configuraciones en función a la disposición del fluido.

Funcionalidad del flujo paralelo Se lleva a cabo cuando el flujo del tubo interno y el flujo de sector externo ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la

aumenta

tratando

de

alcanzar

el

equilibrio

térmico

entre

ellos.

Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

5

Figura 4. Flujo en paralelo en función de la dirección de fluidos.

Funcionalidad del flujo en contracorriente Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por los extremos opuestos. Como el fluido que entra con menor temperatura sale en contracorriente del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura de entrada del fluido caliente. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que el tipo mencionado anteriormente. En contraste con el intercambiador

de

calor

de

flujo

paralelo,

el

intercambiador

de

contracorriente puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

Figura 5. Flujo en contracorriente en función de dirección de fluidos.

6

Tipos de intercambiadores de calor en tubos concéntricos o dobles Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior. Características técnicas de equipos HT3I MEDICIONES

HT36

DE 6 Puntos: 

TEMPERATURA

Entrada

10 puntos: fluido



caliente  

Fluido caliente en

Posiciones intermedias

Salida del fluido

fluido caliente. 

Posición

del

Salida del fluido caliente.

Entrada del fluido 

Entrada del fluido frio.

media

del fluido frio. 



posición media.

frio. 

fluido

caliente.

caliente. 

Entrada



Posiciones intermedias

Salida fluido frio.

del

fluido frio. 

Salida del fluido frio.

CANTIDAD

DE 2

4(también

SECCIONES

DE

configurarse para 1,2 o 3

TUBOS

puede

secciones).

AREA

DE 0.02 m2

TRANFERENCIA

DE

0.08 m2 máx.

CALOR

En ambos equipos, el tubo interior se usa para el fluido caliente y el anillo externo para el frio. Esta forma de operar minimiza la perdida de calor evitando la aislación adicional. Los tubos internos son de acero inoxidable y el anillo externo

7

es de acrílico transparente para una mejor visualización de las partes del módulo y reducción de pérdidas térmicas. Los tubos pueden extraerse fácilmente para su limpieza. Ventajas y desventajas Ventajas 

Económico en construcción, debido a que puede ser ensamblado por cualquier parte estándar.



Dispositivo simple y fácil control.



De fácil mantenimiento, además de proporcionar superficies de calor de bajo costo.

Desventajas 

Son propensos a fruir múltiples fugas.



Si las entradas de los fluidos son inadecuadas, existe poca transferencia de calor (escape al medio ambiente).



Los codos en U pueden producir grandes pérdidas de carga.



Requieren de más espacio a diferencia de otros tipos de intercambiadores de calor.

Aplicaciones en la industria alimentaria Este tipo de intercambiador son utilizados para productos muy viscosos, con una alta adherencia a la pared del tubo y entre esos alimentos se encuentran: cremas y pulpas de frutas u hortalizas, yogurt con trozos de frutas, mostos, jugos, mermeladas, sopas, aceites vegetales, salsa de tomate y mostazo, entre otros productos. Al igual se utiliza para la pasteurización y esterilización de algunos alimentos. Una aplicación típica de este tipo de intercambiador es la esterilización de concentrado de tomate a 30ºBrix.

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III.

COMPACTO

Es diseñado específicamente para lograr un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área β. Un intercambiador de calor con >2700 𝑚2 /𝑚3 (o 200 𝑓𝑡 2 /𝑓𝑡 3 ) se clasifica como compacto. Ejemplos: 

Radiadores de automóviles (β= 1000𝑚2 /𝑚3)



El pulmón humano (β=20000𝑚2 /𝑚3 )

Estos permiten lograr razones elevadas de transferencia de calor entre dos fluidos en un volumen pequeño y son de uso común en aplicaciones con limitaciones estrictas con respecto al peso y el volumen de esos aparatos. Sin embargo, se obtiene sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los dos fluidos. Los intercambiadores compactos son de uso común en la transferencia de calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas), para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor asociado con el flujo de gases mediante una mayor área superficial. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce como flujo cruzado, el cual todavía se clasifica más como flujo no mezclado o mezclado, dependiendo de su configuración.

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Figura 6. Configuración de los tipos de flujos dentro de los intercambiadores de calor en compactos.

El flujo cruzado se clasifica en: 

Mezclado: Uno de los dos fluidos fluyen libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones.



No mezclado: Se ponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos.

Componentes mecánicos Los principales elementos mecánicos que componen un intercambiador de calor compacto son: 

Tapa de presión



Cámara superior



Núcleo (tubos y aletas)



Cámara inferior



Deposito del refrigerador



Ventilador

10

Figura 7. Ejemplo de un intercambiador de calor compacto.

Ventajas y desventajas Ventajas 

Los intercambiadores compactos permiten lograr razones elevadas de transferencia de calor entre dos fluidos en un volumen pequeño



El patrón de las aletas genera alta eficiencia en la transferencia de calor.



El

diseño

compacto

disminuye

el

tamaño

respecto

a

otros

intercambiadores. Desventajas 

El mantenimiento es un procedimiento complejo



Bajas presiones



Las juntas o sellos son críticos en el proceso.

Aplicaciones en la industria alimentaria 

Pasteurización de lácteos, bebidas, agua, embutidos, fábricas de hilo.



Destilación de tequila, enfriamiento de mostos.

IV.

TUBOS COMPACTOS Y CORAZA

Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste.

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La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos.

Figura 8. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos (un paso por la coraza y un paso por los tubos).

Esquema y partes

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Este tipo de equipo consiste en una carcasa cilíndrica que contiene un arreglo de tubos paralelo al eje longitudinal de la carcasa. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos atraviesan a su vez a una serie de láminas denominadas deflectores (baffles) que al ser distribuidas a lo largo de toda la carcasa, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales.

Tipos de intercambiadores de tubo y carcaza Hay dos tipos básicos de intercambiadores de tubo y carcaza: 

Tipo fijo o de tubos estacionario: Tiene los dos extremos de los tubos fijos a la carcasa. Se requiere de una junta de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo



Un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza. Problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente dentro de la coraza o empleando tubos en forma de U en el extremo que no está sujeto.

Tubos Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los tubos y la coraza. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente están hechos de cobre o aleaciones de acero. Otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones específicas. Los tubos pueden ser desnudos o aletados. Las superficies extendidas se usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho menor que el otro fluido. La cantidad de pasos por los tubos y por la coraza dependen de la caída de presión disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero también las perdidas por fricción

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y la erosión en los materiales. Por tanto, si la pérdida de presión es aceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área reducida. Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8. Los diseños estándares tienen uno, dos o cuatro pasos por los tubos. En cuanto al espaciado de los tubos, los orificios correspondientes no pueden situarse muy cerca entre sí, ya que ello debilitaría estructuralmente cada cabezal de tubos o espejo. La distancia más corta entre dos orificios adyacentes se denomina claro, y la distancia de centro a centro en tubos adyacentes es el espaciado de los tubos, estando ambas dimensiones casi siempre normalizadas.

Figura 9. Disposiciones comunes para tubos. La ventaja del espaciado cuadrado consiste en que los tubos resultan accesibles para la limpieza externa y que tienen una baja caída de presión cuando el fluido fluye en la dirección indicada en la imagen c. En cambio en las disposiciones que se muestran en la imagen a, b y d se produce mayor turbulencia, debido a que el fluido que circula entre los tubos adyacentes a alta velocidad golpea directamente. En un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de

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ellos. Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos pasos en la coraza y cuatro. 1-2: El fluido circula una vez por la coraza y el del interior de los tubos pasa 2 veces. 1-4: El fluido por donde circule el fluido calienta 4 veces los tubos y el fluido frio una vez la coraza. 2-4: El fluido por donde circule el fluido caliente 4 veces y el fluido frio dos veces por la coraza.

Coraza La coraza es el contenedor del segundo fluido. La coraza generalmente es de sección circular y está hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado longitudinalmente. Tipos de coraza

Figura 10. Tipos de coraza. El arreglo más común es el de tipo “E” por ser el más económico y térmicamente el más eficiente, las boquillas de entrada y salida está ubicadas en los extremos

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opuestos o adyacentes de la coraza, dependiendo del tipo y número de deflectores empleados. La coraza de dos pasos tipo “F” se utiliza cuando existe cruce de temperaturas y se pretende lograr una contracorriente pura entre los fluidos de tubos y coraza o bien evitar un valor bajo en el factor de corrección F al utilizar dos pasos en la coraza y más de cuatro en los tubos, evitando la utilización de dos equipos en serie. El área transversal de esta coraza, equivale a la mitad de una de un solo paso. La coraza tipo “G” de flujo partido presenta las cualidades de la coraza tipo “F”, su uso principal está en la condensación de vapores. El vapor entra por la parte superior de la coraza dividiéndose en dos debido a la placa de soporte que divide a la coraza en dos compartimentos idénticos. Después que el vapor pasa por la parte superior de la placa longitudinal, cruza hacia el segundo paso de la coraza en dirección contraria para salir por la boquilla inferior. Las velocidades y la longitud de travesía en la coraza, son las mismas que para una coraza tipo “E”, la ventaja consiste en que el condensado se mantiene por un tiempo más largo en contacto con los tubos.

La coraza tipo “H” de flujo partido doble se utiliza para reducir la caída de presión. En condensadores, la alimentación de vapor se divide en las dos boquillas de alimentación. La coraza se divide en dos compartimentos separados por un soporte transversal completo en el centro de la coraza. La coraza tipo “J” es empleada cuando el diseño se encuentra limitado por la caída de presión en la coraza, ya que la mitad del fluido del lado de la coraza atraviesa la misma área transversal y solo la mitad de la longitud del intercambiador. Esta coraza tiene una boquilla central de entrada y dos de salida, o viceversa. La coraza tipo “K” se utiliza para cuando se requiere generar vapor y por lo tanto, hay que mantener una parte líquida del fluido de alimentación y dejar un espacio encima del nivel del líquido para que el vapor producido pueda viajar a

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una velocidad suficientemente baja a fin de que las gotas de líquido que arrastra tenga la oportunidad de caer. La coraza de tipo “X” o de flujo transversal no tiene deflectores segmentados, por lo que el fluido atraviesa una vez al haz de tubos y la caída de presión es aún menor que en el tipo J. Esta coraza posee soportes circulares que eliminan las vibraciones inducidas por el fluido en los tubos. Tipos de intercambiadores de calor de coraza 

Intercambiador de cabezal flotante interno (Tipo AES)

Es el modelo más común, tiene coraza de un paso, tubos de varios pasos con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son:  Permite la expansión térmica de los tubos respecto a la coraza  Permite el desmontaje  Puede tener 2, 4,6 u 8 pasos en los tubos  Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en la coraza y su pérdida de carga  El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.

1. Cabezal estacionario – Canal 3.

Brida de cabezal estacionario – Canal o casquete

4.

Cubierta de canal

17

5.

Boquilla de cabezal estacionario

6.

Placa tubular estacionaria

7.

Tubos

8.

Coraza

9.

Cubierta de la coraza

10. Brida de la coraza – Extremo del cabeza estacionario 11. Brida de la coraza – Extremo del cabezal posterior 12. Boquilla de coraza 13. Brida de la cubierta de la coraza 15. Placa tubular flotante 16. Cubierta de cabezal flotante 17. Brida de la cubierta de cabezal flotante 18. Dispositivo de apoyo del cabezal flotante 27. Tirantes y espaciadores 28. Deflectores transversales o placas de soporte 29. Placa de choque 31. Separación de paso 32. Conexión de ventilación 33. Conexión de drenaje 34. Conexión de instrumentos 35. Silla de soporte 36. Agarradera de elevación



Rehervidor de caldera (Tipo AKT) Este intercambiador se caracteriza por la configuración de la coraza. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.

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1. Cabezal estacionario – Canal 2. Brida de cabezal estacionario – Canal o casquete 3. Cubierta de canal 4. Boquilla de cabezal estacionario 5. Placa tubular estacionaria 6. Tubos 7. Coraza 8. Cubierta de la coraza 9. Brida de la coraza – Extremo del cabeza estacionario 10. Boquilla de coraza 11. Placa tubular flotante 12. Cubierta de cabezal flotante 13. Brida de la cubierta de cabezal flotante 14. Tirantes y espaciadores 15. Deflectores transversales o placas de soporte 16. Boquilla de coraza 17. Placa tubular flotante 18. Cubierta de cabezal flotante 19. Brida de la cubierta de cabezal flotante 20. Tirantes y espaciadores 21. Deflectores transversales o placas de soporte 22. Separación de paso 23. Conexión de instrumentos 24. Silla de soporte

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25. Agarradera de elevación 26. Vertedero 27. Conexión de nivel de líquido Características de los intercambiadores de calor de tubo y coraza Haz de tubos dentro de una carcasa cilíndrica, con presencia de deflectores para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcasa y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados.

Condiciones operativos 

Temperatura máxima de operación (ºC): -200 a 700



Presión máxima de operación (kPa): 35,000



Superficie de intercambio de calor (𝒎𝟐 ): 5 a 1000



Resistencia: Alta

Mantenimiento Difícil de inspeccionar, limpieza química muy buena por la carcasa y aceptable o pobre por los tubos. Limpieza mecánica prácticamente imposible. Reparaciones aceptables. Respuestas en operaciones liquido – líquido 

Altos coeficientes globales de transferencia de calor para Re> 2.100.

Aplicaciones en la industria alimentaria 

Intercambio de calor líquido- liquido



Calentamiento de vapores



Condensación



Rehervidores de baja a media viscosidad y bajo ensuciamiento.

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V.

PLACAS Y ARMAZÓN

Intercambiador de placas El intercambiador de calor de tipo placa, como se muestra en la figura 11, está formado de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los deflectores dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de coraza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de placa, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de coraza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor. Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas, debido a este problema, este tipo de intercambiador se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña.

Figura 11. Intercambiador de calor de placa.

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Componentes Un intercambiador de placas consiste en un gran número de placas de metal (que pueden ser onduladas, acanaladas) que se mantienen unidas mediante presión en un bastidor y selladas por medio de una junta o empaque de manera que se forman una serie de pasillos interconectados a través de los cuales se hacen circular los fluidos de trabajo. Estos son impulsados mediante bombas de ser necesario. Un equipo típico se compone de dos partes principales, el bastidor y las placas.

BASTIDOR. El bastidor, cuyos componentes son de acero al carbono con excepción de aquellos que como las conexiones de entrada y salida tienen contacto con los fluidos. En las esquinas del bastidor se encuentran las conexiones para permitir la entrada y salida de estos. Tiene la misión de mantener las placas unidas proporcionando un buen sellado y formando una estructura rígida mediante una serie de barras horizontales que soportan las placas. El sellado se hace por medio de juntas fabricadas de elastómeros que se seleccionan de acuerdo con el tipo de servicio, y se colocan en el borde de las placas rodeando completamente las bocas de los extremos de manera que el flujo se pueda distribuir de lado a lado de la placa.

PLACAS. Las placas de Transferencia de Calor se fabrican prensando láminas delgadas de gran variedad de aleaciones y metales resistentes a la corrosión. El más usado es el acero inoxidable, aunque en función de los fluidos a tratar y de sus propiedades pueden ser más adecuados unos metales (o aleaciones) que otros El espesor de las placas está comprendido entre 0,5 mm y 0,9 mm. Con el objeto de aumentar la superficie de Transferencia de Calor, las placas presentan un relieve ondulado o acanaladuras que ayudan a inducir un alto nivel de turbulencia para velocidades medias relativamente bajas (0,25 m/s a 1,0 m/s). Este aumento de la superficie varía mucho en función de la forma de las ondulaciones.

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Las ondulaciones de las placas permiten el aumento de la turbulencia lo que consigue una mejor Transferencia de Calor (coeficientes de transmisión mayores que en el caso de carcasa-tubos).

Figura 12. Componentes de un intercambiador de placas.

Existen varias formas de ondulaciones, pero pueden diferenciarse dos grandes grupos: horizontales y tipo “V”. Las ondulaciones de una placa apoyan en distintos puntos con las de la placa adyacente de tal manera que se provee de rigidez al conjunto sin restringir el flujo. Cuando se monta un conjunto completo de placas, la estructura de los canales de flujo es simétrica en ambos lados, por lo que se elimina la necesidad que existía en los de carcasa-tubos de decidir que fluido pasará por los tubos y cuál por la carcasa, ya que los lados de la placa son equivalentes. El número de placas se determina en función de los caudales, propiedades físicas de los fluidos, pérdidas de carga admisible, diferencia de temperaturas y capacidad de transmisión de calor.

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Figura 13. Tipos de placas: a) ondulaciones horizontales, b) ondulaciones tipo “V”. Funcionamiento. Los fluidos frío y caliente se introducen por los orificios de conexión y circulan por los canales que se forman entre placas de manera alternativa. Uno es conducido por los canales impares mientras que el otro es conducido por los canales pares. Los dos se encuentran así separados sin poderse mezclar por una delgada placa a través de la cual se produce Transferencia de Calor. La distribución por sus canales correspondientes se hace mediante una serie de juntas en los canales impares que no permiten la entrada del fluido que ha de circular por los pares, y en los pares que no permite la entrada del de los impares. Generalmente, aunque existen múltiples configuraciones, el flujo se hace en contracorriente, en la figura 2.3 se muestra la configuración. Las ondulaciones forman los correspondientes canales entre placas, cuyos bordes se apoyan por presión unos sobre otros o bien están soldadas entre ellas. Estas son resaltes que forman los canales y por ellos circulan los fluidos. Su forma genera turbulencias que mejoran la Transferencia de Calor. Para conseguir un mejor intercambio de calor estas placas se construyen con materiales de baja resistencia térmica.

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Figura 14. Distribución de placas.

Tipos de intercambiadores de placas.

Existen varios tipos de intercambiadores que se pueden clasificar de varias formas: 

Por la forma de unión de las placas.



Por la dirección de los fluidos.



Por el número de pasos.



Por el número de circuitos de refrigerante.

Materiales. Los materiales de las juntas son de varios tipos de elastómeros que tienen un límite máximo de temperatura de funcionamiento (para los materiales más usados) es de 140 a 150 ºC. Los flúor - elastómeros pueden aumentar ese límite hasta los 180 ºC, pero a cambio de un mayor costo. Existen algunos modelos

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que usan juntas de fibras de amianto comprimido, para los cuales la temperatura límite asciende hasta un máximo de 250 ºC. Por el hecho de no llevar estas juntas, los intercambiadores termo-soldados son capaces de aguantar temperaturas superiores a los 140 -150 ºC de los de tipo junta. Tamaño. Tamaño compacto, es decir necesitan una gran área de transferencia por unidad de volumen. El peso y el volumen de la instalación son bajos.

Costo inicial. Menor inversión. Se tiene un menor costo como consecuencia de necesitar menor área de transferencia.

Flujos. Permiten la aplicación de flujos en contracorriente en la mayoría de las aplicaciones.

Temperaturas. Aproximaciones de temperatura más cercanas. Se puede trabajar incluso con diferencias de temperatura de hasta 1ºC, maximizando la posibilidad de recuperación de calor. En el control de la temperatura, la forma de los canales de circulación reduce la posibilidad de zonas de retención o estancamiento y sobrecalentamientos locales.

Aplicación en la industria alimentaria 

Tratamiento y pasteurización de la leche.



Se podrían aplicar a otras industrias que manejan líquidos, ya sea como parte del proceso o en los servicios de enfriamiento de una planta.

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

En la actualidad se utiliza para aquellos sistemas que trabajan a temperaturas comprendidas entre -40ºC y 250ºC y a presión inferior a 3,0*105 [Pa].

VI.

REGENERATIVO

Son intercambiadores de transferencia de calor entre dos corrientes, siendo transportada por el paso alternado de fluidos calientes y fríos a través de un lecho de sólidos, el cual tiene una apreciable capacidad de almacenamiento de calor. Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema particular. Una clasificación común es: 

Intercambiador regenerativo.



Intercambiador no-regenerativo.

Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía (energía interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo que mejora la eficacia del intercambiador. Es importante recordar que el término "regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contra flujo). En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura, el fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.

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Figura 15. Funcionalidad de los intercambiadores de calor. En un intercambiador regenerativo, el fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.

Figura 16. Ejemplo de un intercambiador regenerativo en una turbina. En él podemos ver una extracción de vapor de la turbina denominada (sangría) que se redirige hacia un proceso secundario, regenerar o recalentar el agua de alimentación de la caldera, mejorando así la eficiencia del ciclo termodinámico.

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Ejemplos de utilización 

Cristalería



Producción de energía



Herrería



Calefacción

Contacto directo Torres de Enfriamiento Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre.

 Torres de circulación natural 

Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.



Tiro natural: El flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de 200000gpm. Es muy utilizado en las centrales térmicas.

 Torres de tiro mecánico 

Tiro inducido: el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.



Tiro forzado: el aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior.

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

Otros tipos: Torres de flujo cruzado. El aire entra por los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Estas torres necesitan más aire y tienen un coste de operación más bajo que las torres a contracorriente.

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. Los sistemas de refrigeración encuentran una utilización masiva en la industria, en concreto en la alimentaria, donde resulta imprescindible en aquellos procesos industriales que utilizan el amoniaco como refrigerante y presenta numerosas ventajas, entre ellas, de carácter energético y económico. La refrigeración industrial se utiliza en las dos terceras partes de las instalaciones de la industria alimentaria. La conservación de alimentos es más prolongada cuanto antes se consigue reducir su temperatura a los niveles óptimos de almacenamiento. El acondicionamiento de aire industrial es otra aplicación de la refrigeración que se efectúa para lograr condiciones adecuadas en las salas donde se procesan, manipulan y envasan dichos productos. En las instalaciones frigoríficas de la industria alimentaria, el refrigerante más utilizado es el amoniaco. Su empleo en instalaciones frigoríficas que condensan con agua refrigerada por equipos de enfriamiento evaporativo constituye una tecnología eficiente. Sus ventajas se resumen en eficiencia energética, respeto al medioambiente, seguridad para la salud y una inmejorable relación entre la inversión y el rendimiento. El enfriamiento evaporativo utilizado en las instalaciones frigoríficas de refrigeración (industrial, comercial y hostelería) y de acondicionamiento de aire con condensación por agua, es una tecnología que contribuye a la reducción del efecto invernadero, al limitar las emisiones de CO2 indirectas gracias al ahorro de energía eléctrica consumida y directas debidas al menor riesgo de fugas de gases refrigerantes al trabajar las instalaciones con presiones relativamente más reducidas.

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Algunos en los que se utilizan son: azúcar, destilerías, industrias de conservas y en procesos térmicos.

VII.

CONDENSADORES Y CALDERAS

Calderas Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. A la combinación de una caldera y un sobrecalentador se le conoce como generador de vapor. El principio básico de funcionamiento de las calderas consiste en una cámara donde se produce la combustión, con la ayuda del aire comburente y a través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor. La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de forma generar podemos describir las siguientes partes: 

Quemador: sirve para quemar el combustible.



Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.



Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.



Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.



Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.



Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

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Figura 17. Representación de caldera nivel industrial.

Tipos de calderas Distinguimos entonces las siguientes tecnologías de forma genérica: 1. Calderas de Agua Caliente: Son aquellas en las que el fluido caloportador es el agua y la temperatura de calentamiento no supera los 100º C 2. Calderas de Agua Sobrecalentada: Son aquellas en las que el calentamiento del agua se realiza por encima de los 100ºC. Estas pueden ser acuotubulares o pirotubulares, en función de si es el agua o los humos lo que circula por los tubos. El desarrollo tecnológico de las de tipo acuotubular hace que sean las más comunes. Lógicamente se trata de calderas con una presión de operación por encima de la atmosférica para evitar que el agua entre en ebullición al alcanzar los 100 ºC. Temperaturas de servicio de hasta 150 ºC y presiones de 5 bar son habituales en estos equipos.

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Figura 18. Representación de caldera de agua sobrecalentada. 3. Calderas de Vapor. Son aquellas en las que el líquido portador es vapor de agua. Tanto pueden ser de tipo acuotubular como pirotubular. Las más habituales son las de vapor saturado. La presión de servicio debe aumentar para conseguir una mayor temperatura de operación, existiendo una relación entre ambas según la curva de saturación del vapor. Mediante sobrecalentadores de vapor se pueden conseguir calderas de vapor sobrecalentado, es decir, con temperaturas superiores a la presión de saturación.

Figura 19. Representación de caldera de vapor industrial. 4. Calderas de fluido térmico. Son aquellas en las que el fluido que conduce el calor es distinto al agua. Se trata de calderas únicamente acuotubulares. Actualmente el aceite térmico es la alternativa tecnológica más apropiada para la mayor parte de industrias en las que se necesite un calentamiento indirecto, pues no exige un nivel de mantenimiento continuado, como requieren las de agua o las de vapor.

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Al trabajar sin presión y sin agua, se evitan todas las problemáticas relacionadas con esta: fugas, oxidación, tratamientos, mantenimiento, etc. Hoy en día es la alternativa más usada en todo tipo de industrias: alimentaria, hotelera, plástica, química, cosmética. De forma genérica las cuatro categorías anteriores pueden tener como variante el hecho de generar calor sin necesidad de combustión alguna. Se trata de las calderas eléctricas que mediante resistencias pueden generar de forma análoga agua caliente, sobrecalentada, vapor o calentar fluido térmico. Aplicación en la industria alimentaria 

Cocción o purificación de muchos de sus productos. Ejemplo. Gomitas de dulce, lácteos.

Condensadores Es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización.

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Figura 20. Condensador industrial.

Las razones para condensar el vapor son tres: 

Se aprovecha el vapor a la salida de la turbina, cerrando el ciclo del agua



Se reduce la presión a la salida, incluso por debajo de la atmosférica, con lo que el salto de presión es mayor y por lo tanto el rendimiento y la potencia de la turbina aumentan



El posterior aumento de presión del fluido puede realizarse en una bomba hidráulica, con un consumo energético menor que si se realiza en una caldera o en un compresor

Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos: 

Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado.



El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío.



El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la instalación.



El vapor de los by-pass de las turbinas, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado.

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

El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continúa. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.

Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío. Tipos de condensadores  Condensadores Evaporativos 

Las torres de refrigeración son dispositivos utilizados para la refrigeración de agua en la industrial. Se trata esencialmente de una columna de transferencia de calor y masa, diseñado para permitir una gran superficie de contacto entre las dos corrientes.



El agua caliente en contacto con el aire de intercambio de calor y masa, una pequeña porción de agua se evapora lo que provoca el enfriamiento.



La evaporación del agua representa aproximadamente el 80% del agua de refrigeración. La diferencia de temperatura entre el aire y el agua es responsable del 20% de la otra de enfriamiento.



El diseño de una torre de refrigeración de los valores del flujo y la temperatura del agua que se enfría. Luego, una vez especificada la geometría de la torre en términos de su tamaño y tipo de relleno dependerá del correcto funcionamiento del control del flujo de aire.



El enfoque de una torre de refrigeración es la diferencia entre la temperatura de agua fría (salida de la torre de refrigeración) y la temperatura de bulbo húmedo del aire en la entrada de la torre. Para las torres de refrigeración industriales, el enfoque es de alrededor de 5 ° C.



Son tubos que se les ha aumentado el área de transferencia con aletas radiales o longitudinales, esto con el propósito de aumentar la superficie extendida y mejorar sustancialmente su capacidad para transferir calor, los tubos aletados transfieren calor del fluido más caliente al más frio.

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

La tubería aletada tiene en general de 9 a 10 veces mejor eficiencia que un tubo liso Se pueden fabricar en diversos materiales dependiendo su aplicación como: cobre-aluminio, acero al carbón-aluminio, inoxidablecobre, inoxidable-inoxidable, cobre-cobre, etc.

 Condensador Carcasa y Serpentin La función del condensador es transferir el calor que ha sido absorbido por el sistema hacia el aire o agua llamado también intercambiador de calor Observaciones: 

Para el dimensionamiento.



Si es pequeño, hay una pérdida de capacidad de refrigeración y el sistema no alcanza la temperatura deseada. Por lo tanto, aumenta el consumo de energía y la temperatura interna del motor.



En cuanto a la limpieza y mantenimiento.



En un condensador sucio se incrementa el consumo de energía y la pérdida de capacidad de intercambio de calor, reduciendo así la capacidad de enfriamiento.

 Condensador de placas Está constituido por uno o varios serpentines de tubo desnudo o aleteado por los que circula el agua y una carcasa de acero por la que Circula el fluido frigorífero. Instalado en locales de temperatura mayor a 30°C, y en aquellos lugares en los que existan grandes cantidades de polvo. La carcasa se hace de chapa de acero, mientras que el serpentín es de cobre. Como elementos auxiliares tenemos válvula de nivel, racores de entrada y salida de agua, tapón fusible y una válvula de seguridad. Únicamente se utiliza este condensador para pequeñas y medianas capacidades y se limpia por circulación de productos químicos.

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 Condensador tubo dentro de tubo El coeficiente de transferencia de calor aumenta progresivamente a medida que progresa la condensación en la superficie del tubo. Pero cuando hay un aumento en el espesor de la película de condensado a lo largo de la pared del tubo y la consiguiente reducción de la velocidad de flujo de fluido en la sección transversal de la tasa de transferencia de calor también disminuye.

Aplicación en la industria alimentaria 

Frigoríficos, industria láctea, gaseosas, industria vitivinícola, sidras, alimentación, etc.

Referencias González,

M.

(s.f).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

https://operacionesunitarias1.files.wordpress.com/2011/07/unidad-ivintercambiadores-de-calor.pdf. Rodriguez,

J.

(s.f).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

Recuperado

de:

http://www.radiadoresgallardo.cl/topintercambiaodres.pdf. Rios,

M.

(2016).

Intercambiadores

de

calor.

https://www.researchgate.net/publication/296844996_intercambiadores_de_cal or. Sanchez, G. (2012). Diseño térmico e hidráulico de un intercambiador de coraza y

tubos.

Recuperado

de:

http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/2355/1/15T00517.pdf. Guillen, E. (2014). Diseño y fabricación de un intercambiador de calor de tubos concéntricos para los Laboratorios de Termofluidos de la Universidad Santo Tomás.

Recuperado

de:

https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/2863/Guillenedinson2015 .pdf?sequence=1&isAllowed=y.

38

Burgos,

F.

(s.f).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

http://transferenciadecalorpsm.blogspot.com/2016/09/intercambiador-de-calorun-dispositivo.html. Valderrama, E. (2018). Intercambiadores de calor compactos. Recuperado de: https://prezi.com/p/ykeqvitfqbk0/intercambiadores-de-calor-compactos/. Carvajal,

M.

(2012).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

https://es.slideshare.net/Lidia1289/intercambiadores-de-calor-13021796. Morales,

A.

(2013).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

https://es.slideshare.net/albertolagoszambrano/intercambiadores-de-calor23038430. Salazar,

V.

(2010).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

https://es.scribd.com/doc/39561381/INTERCAMBIADORES-DE-CALOR. Jaramillo, O. (2017). Tipos de intercambiadores de calor. Recuperado de: http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/node12.html. Paredes,

S.

(2010).

Intercambiadores

de

calor.

Recuperado

de:

https://es.scribd.com/doc/36093262/INTERCAMBIADORES-DE-CALOR. Valentín, M. (2016). Aplicaciones industriales de torres de enfriamiento. Recuperado

de:

https://es.scribd.com/document/324447614/Aplicaciones-

Industriales-de-Torres-de-Enfriamiento-1. ABSORSISTEM. (S.F). Descripción de calderas y generadores de vapor. Recuperado

de:

https://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripci%C3%B3n-decalderas-y-generadores-de-vapor. PIROBLOC. (2015). Clasificación de calderas por su tecnología. Recuperado de: https://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripci%C3%B3n-decalderas-y-generadores-de-vapor. Bravo, C. (2013). Instalación y automatización del laboratorio de transferencia de calor.

Recuperado

de:

http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/2475/1/15T00518.pdf

39