UNIVERSIDAD CATOLICA SANTO AÑO
TERMODINAM CAMPOS LLONTOD, TEMA: ENRIQUE
EXEBIO CESPEDES, RENATO
PORRO SECL PORRO SECLEN, EN, ALEX QUISPE QUISPE DIAZ, ANA INTEGRANTES: MARIA
2015
DOCENTE: ING. LUCIO ANTONIO
CICLO: 2015- II
CHICLAYO-
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS ANTECEDENTES HISTÓRICOS I EVAPORADORES
1.1. OBJETIVO DE LA EVAPORACION
6
A. FINES DE LA EVAPORACION
6
B. COMPONENTES BASICOS DE UN EVAPORADOR
6
1.2. TIPOS DE EVAPORADORES
7
1.2.1. EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES.
7
1.2.2. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES.
8
1.2.2.1.
EL EVAPORADOR DE CESTA.
9
1.2.2.2.
EVAPORADOR MLTIPLE EFECTO
9
A.
A!"#$%&'(")% *"+$(&'.
9
B.
A!"#$%&'(")% ' (,%&+'(,++"$%&$.
1-
C.
A!"#$%&'(")% #"&'.
11
D.
A!"#$%&'(")% $% /'+'!$!,
11
1.0. CARACTERISTICAS SEGN EL TIPO DE EVAPORADORES
10
A. VENTAJAS
10
B. DESVENTAJAS
10
C. APLICACIONES
10
D. DIFICULTADES
10
1.. BALANCE DE ENERGIA
1
CONCLUSIONES
1
BIBLIOGRAFÍA
16
ANE3OS
INTRODUCCIN Este documento es realizado para la materia de Termodinámica de la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica, con el propósito de saber los fundamentos de los eaporadores, él cual es una clase de cambiador de calor, teniendo un peso importante en el desempe!o como profesional" #a necesidad de transferir calor en un proceso, se subsana mediante e$uipos llamados intercambiadores de calor, a$uellos en los $ue se presenta la eaporación se denominan eaporadores, su uso se e%tiende desde aplicaciones domesticas a industriales" El papel de los intercambiadores de calor es importante frente a la necesidad de aumentar la e&ciencia energética, no solo en función del
análisis térmico ' económico de la instalación sino en función de otros factores como la disponibilidad de energía ' materia prima necesarias para cumplir una determinada función" #a eaporación es una importante operación unitaria, es un tipo de transferencia de calor bastante frecuente en la industria de proceso" Entre los procesos típicos de eaporación están la concentración de soluciones acuosas de az(car, cloruro de sodio, )idró%ido de sodio, glicerina, gomas, lec)e, café, *ugos de frutas entre otras" En estos casos la solución concentrada es el producto deseado ' el agua eaporada suele desec)arse" En otros casos, el agua $ue contiene pe$ue!as cantidades de minerales se eapora para obtener agua libre de sólidos, empleada en la alimentación de calderas" Actualmente se están desarrollando ' usando procesos de eaporación de agua de mar para obtener agua potable" #a resolución práctica de un problema de eaporación está profundamente afectada por el carácter del lí$uido $ue se concentra" Algunas propiedades más importantes de los lí$uidos $ue se someten a eaporación+ oncentración" #a densidad ' iscosidad aumentan con el contenido de solidos )asta $ue la solución se trata o se )ace demasiado di&cultosa para la adecuada trasmisión de calor" #a ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales $ue es preciso retirar con el &n de eitar la obstrucción de los tubos" A medida $ue aumenta la proporción de los sólidos aumenta también la temperatura de ebullición de la solución" -ormación de espuma" Algunos materiales, especialmente substancias orgánicas, forman espuma durante la aporización" on el apor sale del eaporador una espuma estable $ue origina un gran arrastre" .ensibilidad a la temperatura" Muc)os productos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas durante espacios de tiempo relatiamente cortos" En la concentración de estos materiales es preciso utilizar técnicas especiales para reducir la temperatura del lí$uido ' el tiempo de calentamiento"
-ormación de costras" Algunas soluciones depositan costras sobre las super&cies de calentamiento" /or este motio, el coe&ciente global disminu'e paulatinamente" uando la costra es dura e insoluble, la limpieza resulta difícil ' costosa" Materiales de construcción" .iempre $ue es posible, los eaporadores se constru'en en )ierro colado o acero" .olo en casos en $ue las soluciones atacan a estos materiales o son contaminadas por ellos, es preciso utilizar materiales especiales tales como cobre, ní$uel, acero ino%idable, aluminio, gra&to ' plomo" Esta monografía estudia someramente la teoría de la eaporación en la sección 0"01 en la 0"2 una bree e%plicación de los tipos de eaporadores1 en la 0"3 se estudia los cálculos en un eaporador de simple efecto1 en la 0"4 Además el presente traba*o se centra en los diferentes tipos de eaporadores como mecanismos $ue interienen en la generación de energía $ue es de gran interés para nosotros ingenieros"
OB!ETIVO GENERAL Analizar ' comprender el uso de los eaporadores"
OB!ETIVOS ESPEC"#ICOS
5e&nir los eaporadores"
Analizar ' comprender el funcionamiento de los eaporadores"
onocer las enta*as ' desenta*as de los eaporadores"
onocer los materiales $ue utilizan los eaporadores
onocer las aplicaciones en la industria"
ANTECEDENTES HISTORICOS:
#os primeros carrua*es ' autos no eran precisamente cómodos, el conductor estaba e%puesto a las condiciones ambientales+ frío, calor, polo, ruido, etc" Al cerrar la cabina del carrua*e, el calor generado en su interior obligó a los fabricantes a pensar cómo eitarlo" Al principio se colocaron aberturas en el piso pero esto tra*o más polo" En 0664 7illiam 7)itele' tuo la idea de colocar cubos de )ielo en un contenedor deba*o de la cabina del carrua*e ' soplar aire adentro por medio de un entilador conectado al e*e" 8na cubeta cerca de las aberturas del piso fue el e$uialente en el automóil" /oco después la compa!ía 9as) inentó un sistema de enfriamiento por eaporación llamado 7)eater E'e :;o*o climático<= en el $ue se producía un efecto de disminución de la temperatura en el aire, )aciéndolo pasar sobre agua, este sistema todaía se encuentra disponible en las >A9 ' los ?>" El primer auto con sistema de refrigeración como los actuales fue el /ac@ard 03, en el $ue una espiral enfriadora $ue no era más $ue un eaporador mu' largo $ue enolía toda la cabina ' cu'o sistema de control era el
interruptor de un entilador" En 040 adillac produ*o 3BB autos con aire acondicionado :para apagar el sistema se tenía $ue parar el auto ' salir de este=" 5espués de la segunda guerra mundial promocionó controles para aire acondicionado localizados en el asiento trasero" #$%&'%: (''):**+)&+(.//.*)34$'-+*'3&+)3'-3%63%3'&$&'-7&-&%8-&4-$+%4-3-&4'&-$&'+-1995;21<0.('
I EVAPORADORES 1
OB!ETIVO DE LA EVAPORACION El ob*etio de la eaporación es concentrar una solución $ue consta de un soluto no olátil ' un disolente olátil" En la ma'oría de las
eaporaciones el disolente es agua" #a eaporación se llea a cabo eaporizando una parte del disolente con el &n de obtener una solución concentrada" Ceneralmente, en eaporación el lí$uido concentrado es el producto alioso mientras $ue el apor se condensa ' desprecia" /or e*emplo en la industria $uímica la manufactura de agentes $uímicos tales como la soda caustica, sal de mesa ' az(car, empieza con soluciones acuosas diluidas de las $ue deben eliminarse grandes cantidades de agua antes de poder llegar a la cristalización en e$uipo adecuado para este &n" .in embargo, en alg(n caso concreto la porción no eaporada de alimento es el residuo ' el apor desprendido es el producto alioso" Tal es el caso en $ue el agua conteniendo sales se somete con frecuencia a eaporación con el &n de obtener un producto libre de sólidos para alimentación de calderas, para procesos especiales, o para consumo )umano"
A LA EVAPORACIN SE LLEVA A CABO PARA TRES #INES PRINCIPALES: a #a concentración preia de un lí$uido antes de proceder a operar con él, por e*emplo en la cristalización" b #a disminución del olumen del lí$uido para reducir los costos de almacenamiento, embala*e ' transporte" c /ara aumentar la concentración de los sólidos solubles de los productos, al &n de facilitar su preseración por e*emplo, en el caso de los alimentos la lec)e condensada edulcorada" B COMPONENTES B=SICOS DE UN EVAPORADOR #os eaporadores industriales están normalmente compuestos por+ a 8n cambiador de calor para suministrar calor sensible ' calor latente de eaporación al alimento1 como medio de calefacción se utiliza normalmente en la industria de los alimentos, el apor de agua saturado" b 8n separador en el $ue se separe el apor de la fase li$uida concentrada"
c 8n condensador para llear a cabo la condensación del apor ' su separación, componente $ue se puede omitir si el sistema traba*a a la presión atmosférica"
2
TIPOS DE EVAPORADORES #as partes esenciales de un eaporador son la cámara de calefacción ' la cámara de eaporación" El )az de tubos corresponde a una cámara ' la coraza corresponde a la otra cámara" #a coraza es un cuerpo cilíndrico en cu'o interior está el )az de tubos" #as dos cámaras están separadas por la super&cie sólida de los tubos, a traés de la cual tiene lugar el intercambio de calor" #a forma ' la disposición de estas cámaras, dise!adas para $ue la e&cacia sea má%ima, da lugar a distintos tipos de eaporadores" /odemos clasi&car los eaporadores en dos grandes grupos+
1
EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES. El apor calefactor es apor de agua saturado $ue cede su calor de condensación ' sale como agua lí$uida a la misma temperatura ' presión de entrada" Este eaporador se denomina de tubos )orizontales por$ue los tubos están dispuestos )orizontalmente" En el siguiente eaporador, la cámara de calefacción está formada por los tubos )orizontales, $ue están soportados por dos placas" El apor entra en los tubos ' se condensa al cedes su calor de condensación" /uede $uedar apor no condensable, $ue se elimina mediante una purga" #a cámara de eaporación formada por un cuerpo cilíndrico ertical, cerrado por las bases, con una salida para el disolente eaporado por la parte superior ' otra salida para la disolución concentrada en la parte inferior" Estos eaporadores suelen ser de c)apa de acero o )ierro con un diámetro apro%imado de 2 metros ' 3 metros de altura" El diámetro de los tubos acostumbra a ser de 2 a 3 centímetros"
#$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*?+(* ?+(@8%/@%7)343+*(3'&'.+86
En el siguiente eaporador el apor entra por dentro de los tubos, ' al ceder calor al lí$uido $ue circula por encima de los tubos, el apor se condensa" 5el eaporador sale la disolución concentrada ' el
disolente eaporado" #$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*?+(* ?+(@8%/@%7)343+*'$/+@(3'&'+@4%3.+86
2
EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES.
.e denominan así por$ue el )az de tubos está dispuestos erticalmente dentro de la coraza" El eaporador $ue se encuentra a continuación se denomina Eaporador .tandard, $ue es uno de los más conocidos" #a eaporación tiene lugar dentro de los tubos, saliendo por la parte superior el disolente eaporado ' por la parte inferior la disolución concentrada" El apor calefactor entra por
encima del )az de tubos ' sale como agua condensada" #$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*?+(* ?+(@8%/@%7)343+*%+'&434@'$/+@7%3'+.+86
1
EL EVAPORADOR DE CESTA. Due se encuentra a continuación, es otro tipo de eaporador de tubos erticales, en el cual la coraza tiene forma cónica" Este tipo de eaporador se utiliza cuando lo $ue se pretende es llear la eaporación al e%tremo, es decir, eaporar todo el disolente de la disolución diluida para obtener cristales" #os cristales formados se recogen por la parte inferior" El elemento calefactor se trata de un cuerpo compacto $ue se puede e%traer"
#$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*?+( *?+(@8%/@%7)343+*7%3'@%+'.+86
2
EVAPORADOR MLTIPLE E#ECTO 8n eaporador de m(ltiple efecto consta de un con*unto de eaporadores, donde el primer efecto es el primer eaporador ' así sucesiamente" 5urante el funcionamiento, el apor producido en el primer efecto se utiliza como apor calefactor del segundo efecto" Métodos de alimentación en los m(ltiples efectos+ A Alimentación directa" El alimento entra en el primer efecto ' sigue el mismo sentido de circulación $ue el apor, saliendo el producto en el (ltimo efecto" El lí$uido circula en el sentido de las presiones decrecientes ' no es necesario aplicar ninguna energía au%iliar para $ue el lí$uido pase de un efecto al otro" .olo )acen falta dos bombas, una para introducir el lí$uido en el primer efecto ' otra para e%traer el producto del (ltimo efecto"
#$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*? +(*?+(@8%/@%7)343+*%7)343@'$/+@(3'&'+@+%3%.+ 86
Alimentación a contracorriente" El lí$uido a eaporar entra en el (ltimo efecto ' sale concentrado por el primero" El lí$uido a concentrar ' el apor calefactor circulan en sentido contrario" A$uí el lí$uido circula en sentido de presiones crecientes ' esto re$uiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la disolución concentrada de un efecto al siguiente" Esto supone una complicación mecánica considerable $ue se suma al )ec)o de )acer traba*ar las bombas a presiones inferiores a la
atmosférica" Así, si no )a' otras razones, se pre&ere el sistema de alimentación directa" #$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*?+(*?+(@ 8%/@%7)343+*33%&'+2020&'333%&'.+86 Alimentación mi%ta" uando en una parte del sistema de
alimentación es directa ' en la otra parte es a contracorriente" Este sistema es (til si tenemos disoluciones mu' iscosas" .i utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos $ue el (ltimo efecto, donde )a' menos temperaturas la iscosidad de la disolución concentrada aumenta, lo $ue )ace disminuir sensiblemente el coe&ciente global, 8, en este efecto" /ara contrarrestar eso, se utiliza la alimentación a contracorriente o
la mi%ta" #a disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del (ltimo efecto al primero, para completar la eaporación a temperatura eleada" #$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'%*? +(*?+(@8%/@%7)343+*33%&'+20'%+.+86
5 Alimentación en paralelo+ uando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos ' el lí$uido concentrado
se
une
en
una
sola
corriente"
#$%&'%:(''):**%)+%.$).%4$*>&'%3&743+4%3*+'% *?+(*?+(@8%/@%7)343+*33%&'+20%&20)3 C2B%.+86
.istema utilizado en la oncentración de disoluciones de sal com(n, donde los cristales depositados )acen $ue resulte difícil la disposición de la alimentación directa" En general, para decidirnos por un sistema de alimentación u otro, es necesario efectuar el cálculo preio del rendimiento de eaporación para cada uno de los sistemas"
.i la temperatura de entrada del alimento es bastante inferior a la de ebullición en el primer efecto, en el caso de corrientes directas todo el calor $ue se da en el primer efecto a destinado a calentar el alimento :calor sensible= ' mu' poco a producir apor, lo $ue proocará un ba*o rendimiento en el proceso global del m(ltiple efecto" En este caso se pre&ere la circulación a contracorriente" /or lo contrario, cuando la disolución entra en el sistema a temperatura superior a la de ebullición del (ltimo efecto, será más coneniente la alimentación directa, 'a $ue lo $ue pasaría sería $ue la disolución al entrar al (ltimo efecto lo aporizaría parcialmente, produciendo un apor $ue no tiene utilidades posteriores, entonces la disolución lo enfriaría )asta la temperatura de la cámara de eaporación del (ltimo efecto posteriormente se tendría $ue ir calentando al entrar a cada efecto"
ESQUEMA DE UN EVAPORADOR
V)3 A%&'F&
C3 L$4
'
TIPO DE EVAPORADOR
CARACTERISTICAS SEGN EL TIPO DE EVAPORADORES VENTAJAS
4C,$5"("$%&$ *$ &+'%5$+$%("' *$ ('!,+ $!$'*,. 4C"+(!'(")% /,"&"'. 4L"$+&'* +$!'&"' *$ $%("'#"$%&,
CIRCULACION FORZADA
4C,$5"("$%&$ *$ &+'%5$+$%("' *$ ('!,+ $!$'*, (,% *"5$+$%("' '!&' *$ &$#/$+'&+'. 4E/'(", /$+",+ ',. 4L"$+&'* +$!'&"' *$ $%("'#"$%&, 4E!"#"%'(")% #$(>%"(' $%("!!' *$ !' $('#'. 4+$!'&"'#$%&$ /,, (,&,,.
VERTICALES DE TUBO CORTO
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VERTICALES DE TUBO LARGO
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TUBO HORIZONTAL
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DESVENTAJAS
MEJORES APLICACIONES
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BALANCE DE ENERGIA
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DIFICULTA
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CONCLUSIONES 1 2 < 5 ; 9
S+++. A+4 A++4 A A4 A A S A
BIBLIOGRA#"A 0 7A??E9 #"1 F8#IA9 " ' /ETE? G" Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. Mé%ico, Edit" McgraHGillJInteramericana, 6° Ed" 2BBK 2 A#A9 .", #EO9A?5 A" 7E9LE# ' otros" Principios de Operaciones Unitarias. Mé%ico, Edit" ontinental, 2° Ed" 2BB 3 C8ITIE??EL, #8I.1 MA?TI9EL F" ' otros" Elementos de Ingeniería Química. Espa!a, Edit" ema miguel 'uste 30, KN Ed" 0 4 5OMI9CO MO#I9A, -?A9I.O" Termotecnia !undamentos " sistemas de transmisi#n de calor. Almería, 8niersidad de Almería , 1°
Ed" 2B0B
I
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