Intercambio De Calor Por Placas

PRACTICA Nº 3: INTERCAMBIADOR DE CALOR POR PLACAS

I. OBJETIVOS

Intercambiar la máxima cantidad de calor por unidad de área mediante la generación de tanta turbulencia como sea posible dentro de unos límites de potencia de bombeo dados.

Transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto.

II. FUNDAMENTO TEORICO

TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES DE PLACAS

En este capítulo se muestra una clasificación de los intercambiadores de placas, se establecen las características geométricas e hidrodinámicas del flujo en simple fase en este tipo de intercambiadores y se analizan las características de transferencia de calor de este tipo de intercambiadores tanto en flujo en simple fase y ebullición.

El concepto de los intercambiadores de placas no es nuevo, una de las primeras patentes que se conocen con este tipo de tecnología ha sido obtenida en 1890 por Langem y

Hundhansseng, una compañía alemana. Hoy en día la aplicación de este tipo de intercambiadores en la industria es grande, abarcando sectores como los de alimentación, procesado de pasta de papel, ingeniería química, agua caliente sanitaria, refrigeración y aire acondicionado.

Un intercambiador de placas convencional está conformado una sucesión de finas placas que se encuentran selladas por juntas de goma. Las juntas de goma además de evitar la mezcla de los fluidos, establecen los canales de circulación del fluido. El conjunto de las placas se comprime con dos planchas metálicas rígidas haciendo una distribución de flujos paralelos donde uno de los fluidos circula en los canales pares, y el otro fluido circula en los canales impares. La configuración de los intercambiadores de placas convencionales se muestra en la figura. A partir de los primeros desarrollos de intercambiadores de placas, con juntas de goma, han aparecido diferentes materiales para el sellado de los canales del intercambiador. Hoy en día pueden encontrarse juntas de grafito, caucho, y otros materiales, en función de la compatibilidad del fluido a utilizar.

Clasificación:

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:

Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

Intercambiadores de contacto indirecto:

Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.

De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto

los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido)

los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

Aplicaciones de intercambiadores de placas en refrigeración

Los intercambiadores de placas convencionales de juntas de goma han sido y siguen siendo utilizados en refrigeración. En general las limitaciones de temperatura y presión quizás son los factores que determinan el campo de aplicación de este tipo de intercambiadores. También es posible que las juntas de goma puedan sufrir dilataciones, incorporando el fluido a las cadenas poliméricas por fenómenos de difusión lo que provoca pérdidas de fluido y afecta a la seguridad de la instalación. Los choques térmicos por continuas paradas también provocan problemas, e incluso los fluidos pueden alterar la estructura química de las juntas. El uso de los intercambiadores de placas convencionales han llevado asociado el riesgo de fugas debido a los problemas de sellado de los canales. Si bien en un pasado estos intercambiadores no eran demasiado utilizados en la industria debida a estos problemas de seguridad, el intento de reducir las cargas de refrigerante han provocado un mayor interés en este tipo de intercambiadores. Hoy en día, los intercambiadores de placas con juntas de elastómeros se suelen utilizar cuando las cargas térmicas a disipar son variables y se necesita variar el área de intercambio, o cuando se utilizan fluidos sucios o propensos a crear problemas de corrosión, pues esta configuración ayuda al limpiado. En cualquier otro caso los intercambiadores de placas utilizados son intercambiadores de placas termosoldadas.

Geometría del intercambiador de placas Pese a que el tipo de corrugación de este tipo de intercambiadores puede ser casi cualquiera, el patrón de la corrugación típico de estos intercambiadores es de corrugado tipo chevron. El patrón de las corrugaciones es de tipo sinusoidal, donde las corrugaciones están orientadas con un determinado ángulo con respecto a la dirección principal de flujo. Esta corrugación proporciona varios puntos de contacto entre las placas adyacentes, mejorando el mezclado de las corrientes y aumentando la turbulencia. Para el intercambiador de placas ensayado en este trabajo un intercambiador de placas NB51, fabricado por Alfa Laval, las dimensiones geométricas se muestran en la Figura.

Los parámetros de mayor importancia a la hora de caracterizar este tipo de intercambiadores son el ángulo de la corrugación (ángulo de chevron), y la profundidad de la corrugación. El primer parámetro caracteriza la mejora de la turbulencia en el intercambiador (y por tanto la transferencia de calor y las pérdidas de carga), y el segundo parámetro caracteriza el diámetro hidráulico del intercambiador. Otros factores que se tienen en cuenta a la hora de caracterizar los intercambiadores son el factor de aumento del área de intercambio y el pitch. El factor de aumento del área de intercambio es el cociente del área de intercambio real, frente a la proyección del área en un plano paralelo al de la placa. La profundidad de la corrugación y la separación entre corrugaciones (pitch) definen este factor de aumento. El diseño de intercambiadores de placas permite casi un número infinito de combinaciones de parámetros geométricos para el patrón de las placas, diseño de los puertos, pasajes de los canales, aunque por simplicidad se muestran los más comunes. Normalmente todas las placas de un mismo intercambiador tienen un patrón idéntico, pero alternativamente se rotan 180º de forma que el patrón de dos placas adyacentes apunta a sentidos diferentes. De esta manera se forman una estructura interior en forma de celda de abeja, donde cada celda se encuentra delimitada por los puntos de contacto de las placas. En la Figura 2.4 se muestra una sección de un intercambiador comercial tipo CB14 de la firma Alfa Laval. La geometría de cada celda en la estructura se determina por la forma y tamaño de las corrugaciones. La corrugación es usualmente cercana a la sinusoidal, y se describe por los siguientes parámetros:

El ángulo chevron alfa, o β.

La profundidad media de la placa b.

La separación entre corrugaciones Λ.

El radio de curvatura de las corrugaciones R.

La mayoría de intercambiadores de placas del mercado tienen las mismas configuraciones, mientras que los ángulos de las corrugaciones dependen de la aplicación.

III. MATERIALES

Placa de intercambiador

Cinta métrica o regla

IV. PROCEDIMIENTO

Análisis por partes: Procederemos a tomar los datos de altura y diámetro de la placa de intercambiador de calor.

El equipo completo: Se procedió a observa, a tomar los datos de distancia (longitud) y el ancho de la placa para luego según revisión bibliográfica tomar datos de fuerza y presión.

V. CALCULOS Y RESULTADOS

Determinación de la carga térmica

P= K*A*LMTD

LMTD= ((42-6)–(5-1))/(Ln 36/4 )

LMTD= 14.61

Descripción de la placa:

Descripción: Placa de acero inoxidable 316.

Área efectiva de transferencia de calor

Área=Largo x ancho= 26 cm x 67 cm

Área= 1742cm2= 0.1742 m2

Calculando la Media logarítmica de la diferencia de temperatura

LMTD= (A T1 – A T2)/(Ln AT1/AT2 )

. LMTD= 14.61 °C

Calculando la carga térmica de la placa

P= K*A*LMTD

P= 6000 W / m2 ºC * 0.1742 m2* 14.61 °C

P= 15270.37 W = 15.27 KW

LMTD= ((20-16)–(10-7))/(Ln 4/3 )

LMTD= (A T1 – A T2)/(Ln AT1/AT2 )

En este caso utilizaremos como ejemplo el caso de pasteurización de la leche para hallar su carga térmica:

VI. CONCLUSIONES

El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.

El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

La media logarítmica de la diferencia fue 14.61 °C

VII. ANEXOS

Transferencia de calor en ebullición

En este anexo se muestran los modelos considerados en la revisión bibliográfica de datos experimentales de ebullición en recintos cerrados y de ebullición en el interior de tubos, tanto para los fluidos puros amoniaco y agua, como para la mezcla amoniaco/agua.

Los procesos de ebullición son muy frecuentes en la industria y han sido objeto de estudio en las últimas décadas. A causa de la complejidad de los procesos de ebullición tan solo modelos empíricos están disponibles en la bibliografía y los coeficientes que predicen pueden tener diferencias incluso del 100 %.

La ebullición es un proceso de cambio de fase en donde las burbujas se forman en la superficie de calentamiento y/o en una capa de líquido sobrecalentada cerca de la superficie de calentamiento. Se denomina ebullición en recintos cerrados, cuando los procesos de ebullición se encuentran referidos a ebullición en convección natural, estando el líquido cerrado en un recipiente y se denomina ebullición forzada el líquido fluye sobre la superficie de calentamiento por medio de una bomba u otro medio.

Ebullición en recintos cerrados (pool boiling)

La Figura muestra cualitativamente la curva de ebullición típica que se obtiene en ebullición en recintos cerrados representando el flujo de calor frente a la diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido. Cuando el flujo de calor aumenta, el primer modo de transferencia de calor que aparece en presencia de un campo gravitatorio es la convección natural. En un punto determinado de sobrecalentamiento de la pared (punto A), las burbujas de vapor aparecen en la superficie del líquido. Este punto se denomina el punto de inicio de la ebullición nucleada (onset of nucleate boiling ONB). Las burbujas se forman en las cavidades o en las fisuras de la superficie, que contienen núcleos de vapor. En líquidos que son capaces de mojar bien la superficie el punto de inicio de la ebullición nucleada se retrasa. En estos líquidos, la generación de burbujas causa una reducción de la temperatura superficial mientras que el flujo de calor se mantiene constante aunque este comportamiento no se observa cuando se reduce el flujo de calor mostrándose efectos de histéresis.

VIII. BIBLIOGRAFIA

http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/8491/06CAPITULO2INTERCAMBIADORESDEPLACAS.pdf;jsessionid=5E856D69195404FAF5B9BE8689FC6EF5.tdx1?sequence=5

http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/8491/12ANEXOITRANSFERENCIADECALORENEBULLICION.pdf?sequence=11

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