TRANSFERENCIA DE CALOR FACTOR DE ENSUCIAMIENTO PARA UN INTERCAMBIADOR DE CALOR 1
Danny Luis Moreno, 1Lorena Soto, 1Aura Ramirez, 1Crisitian Cuello, 1Carlos Arabia 1
Estudiantes de Transferencia de Calor, Universidad de Córdoba
Resumen El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo y uso, como resultado de la acumulación de depósitos sobre la superficie de transferencia de calor. El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre la superficie de transferencia. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la corrosión química. En este caso las superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas. Después de conocer el factor de ensuciamiento de forma cuantitativa, podemos ver que es un valor muy bajo con respecto al equipo y su uso. De forma analítica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se halló en el intercambiador de calor no representa un valor alto lo cual quiere decir que no ejerce una resistencia térmica considerable lo cual va a permitir que el intercambiador de calor trabaje de forma eficiente y no se produzcan pérdidas considerables de energía y calor.
Abstract The performance of heat exchangers typically deteriorates with time and use as a result of the accumulation of deposits on the heat transfer surface. The most common type of scale deposits is the precipitation of solids that are in a fluid on the transfer surface. Another way of embedding, which is common in the chemical process industry, is the corrosion and other chemical corrosion. In this case the surfaces are embedded in the accumulation of the products of chemical reactions on them.
After knowing the fouling factor quantitatively, we can see that is a very low value to the team and usage. Analytically it can be said that the fouling factor was found in the heat exchanger is not a high value which means that it has no significant thermal resistance which will allow the heat exchanger to work efficiently and not occur in significant energy loss and heat.
Key words: performance, heat exchangers, deterioration, fouling factor
INTRODUCCIÓN
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo y uso, como resultado de la acumulación de depósitos sobre la superficie de transferencia de calor. La capa de depósito representa una resistencia adicional para esta transferencia y hace que disminuya la velocidad de la misma. El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre la superficie de transferencia. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la corrosión química. En este caso las superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas. Los intercambiadores también se pueden incrustarse por el crecimiento de algas en los fluidos calientes, este tipo de incrustación se conoce como biológica, y se puede impedir mediante tratamiento químico. En las aplicaciones donde es probable que ocurra, la incrustación debe considerarse en el diseño y selección de los intercambiadores de calor; en esas aplicaciones puede ser necesario seleccionar un intercambiador más grande y por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de diseños de transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación.
OBJETIVOS
Determinar el factor de ensuciamiento o incrustación (R F) para un intercambiador de calor de gancho a partir de datos obtenidos en el laboratorio y los datos de diseño, para su posterior comparación con valores reportados en la literatura.
MARCO TEÓRICO Coeficiente de transferencia térmica global Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un intercambiador de calor de coraza y tubos consiste en evaluar el coeficiente global de transferencia de calor entre las dos corrientes fluidas, el líquido y el vapor. Se sabe que el coeficiente global de transferencia de calor entre un fluido caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura T F separados por una pared de espesor (r e – r i, donde “e” es el exterior e “i” es el interior del tubo interno) se define mediante la Ecuación 1. UA
1 hc
i
Ai
1 ln( r e r i ) 2 k L
1
1 h f
e
Ae
En la práctica es necesario calcular los coeficientes de transferencia de calor individuales, pero suele ser útil en las estimaciones preliminares el tener un valor aproximado de U, típico de las condiciones que han de encontrarse en la práctica; hay que tener en cuenta que, en muchos casos, el valor de U viene determinado casi completamente por la resistencia térmica en una de las películas fluido/sólido, como sucede, por ejemplo, cuando uno de los fluidos es un gas y el otro un líquido o si uno de los fluidos es un líquido en ebullición con un coeficiente de transferencia térmica muy grande.
Factor de ensuciamiento Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, como se
muestra en la Figura 1; el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios. La resistencia térmica del depósito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia.
Figura 1. Transmisión de calor en un intercambiador de calor en tubos concéntricos con incrustaciones calcáreas en el lado del agua. Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten después de que el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se puede determinar la resistencia térmica del depósito (o factor de ensuciamiento, RF Fouling en inglés) R Suc mediante la relación de la Ecuación 2. RSucio R Func R Limpio
1
U Func
1
U Limpio
2
El coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor limpio puede hallarse con la Ecuación 3. U Limpio
1 1 hce
Requiv
Ae hci Ai
3
La expresión del coeficiente global de transferencia de calor U Func (en funcionamiento) al cabo de un tiempo, referida a la sección exterior Ae esta dada por la Ecuación 4. U Func
1 1 hce
Re Requiv
Ri E e Ai
Ae
4
hci Ai
En la Tabla 1 se dan algunos ejemplos de factores de resistencia por ensuciamiento normales que se aplican en la ecuación anterior.
Tabla 1 Factores de resistencia por ensuciamiento normales Tipo de fluido
Requiv (m2ºK/W)
Agua de mar y agua tratada para alimentación de una
0,0001
caldera (por debajo de 50ºC) Agua de mar y agua tratada para alimentación de una
0,0002
caldera (por encima de 50ºC) Agua de río (por debajo de 50ºC)
0,0002-0,0001
Aceite de motor
0,0009
Líquidos refrigerantes
0,0002
Vapor (no aceitoso)
0,0001
Fuente: INCROPERA, Frank y DEWITT, David. Fundamentos de Transferencia de Calor. Prentice Hall. México 1999 (4° ed). ISBN 0-471-30460-3. p.585.
Aplicación de los intercambiadores de calor en la industria alimentaria Los intercambiadores de calor tienen una amplia aplicación para los procesos alimentarios, siendo elemento clave en procesos de esterilización, evaporación, refrigeración, producción de vapor, etc. Algunos ejemplos de su aplicación son:
Cristalizador de margarina en continuo Se suministran un tubo de reposo para la sedimentación del producto y una unidad de enfriamiento de salmuera para la refrigeración de proceso. Puede procesarse una variedad de emulsiones de aceite Congelador en continuo para helados, Incorporación de aire vía un pequeño compresor de aire y refrigeración. Margarina, productos para untar y mantecas para pastelería, Rellenos de repostería, Productos aireados, helados, sorbetes, Productos asépticos, salsas, condimentos, alimentos infantiles, queso procesado. MÉTODO EXPERIMENTAL Equipo requerido Para la realización de la práctica se necesitan los siguientes materiales y equipos:
Montaje del equipo de la Figura 2. Intercambiador de calor de ganchos Rotámetro para la medición de flujo del agua fría Suministro de vapor Tanque de almacenamiento de agua Bomba centrífuga 1 registrador de temperatura con un termopar tipo J.
PROCEDIMIENTO En el laboratorio de operaciones unitarias de la UPB se usó un intercambiador de calor de tubos concéntricos (el Intercambiador de Calor de ganchos) para el calentamiento de agua con vapor de caldera. Operando el intercambiador con los flujos de diseño se podrá determinar el factor de ensuciamiento (R F) a partir de las condiciones dadas cuando el equipo estaba sin ningún tipo de resistencia debida a incrustaciones en la tubería.
DATOS Y RESULTADOS T° de entrada del agua Presión atmosférica Área de transferencia
21 160,9 Kpa 0.4115 m2
ESPECIFICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS Voltaje de la Bomba (V)
110
Presión del vapor (Kpa)
161.65
Área de transferencia de calor (m2)
0,41156
Diámetro externo de la tubería (m)
0.0127
Diámetro interno de la tubería (m)
6.35*10-3
rea externa (m )
1.26*10-
rea interna (m )
3.16*10-
Datos obtenidos
Ent vapor Caudal (m /s) T1 (ºC) 3
0,00031
387.15
Sal vapor T2 (ºC)
Ent agua t1 (ºC)
Sal agua t2 (ºC)
387.15
21
63.333
Propiedades físicas del agua a 21 ºC.
Densidad (kg/m )
997,8
Calor Especifico (J/kg.ºC)
4181,6
FLUJOS EN CONTRACORRIENTE Flujo masico = caudal * densidad Flujo masico= 997,8 kg/m3 * 0.0003154 m3 /s Flujo masico= 0,3144 kg/s Hallamos los calores Q, utilizando la siguiente ecuación
()
(2)
Donde: Q= calor en W m= flujo másico en kg/s Cp= calor especifico del agua a 21ºC (Tabla 4) ∆T= t2
- t1 en ºC
() Calculamos la MLDT mediante la ecuación
( ) ( ) () ()
Hallamos los Coeficientes Globales de Transferencia de Calor U, mediante la ecuación
Donde: Q = Calor en W A = Área de transferencia de calor m 2 ∆T= MLDT
Hallamos los Coeficientes de transferencia de Calor por convección internos hci y externos hce, mediante la ecuación, para esto tomamos como: Tw =183.2 ºC y T∞=21ºC
Hallamos una TF que nos sirve para hallar las propiedades físicas que son: Densidad = 0.9407 kg/m 3 Cp = 1009.21 J/kgºC k = 0.031097 W/m ºC µ = 2.189*10-5 kg/m.s.
Fuente. Yunus A. Çengel. Transferencia de Calor y Masa, McGraw Hill. México 2007. Tercera Edición. Apendice 1 tabla A-15 pagina 736.
Donde: Nu = numero adimencional de Nusselt. k = Conductividad Térmica W/m ºC D = Diámetro interno o externo de la tubería.
Flujo = velocidad * área V=flujo/área V=
V= 2.49 m/s
Prandt (Pr) = 0.7104 Hallamos el número de adimencional de Nusselt mediante la correlación de Gnielinski el cual sugiere que pueden obtenerse mejores resultados para flujo turbulento en tubos lisos a parir de:
( ) Coeficientes de transferencia de Calor por convección internos y externos.
Hallamos el Coeficientes Global de Transferencia de Calor limpio, mediante la ecuación:
Donde: hce = Coeficientes de transferencia de Calor por convección externo. hci = Coeficientes de transferencia de Calor por convección interno. Ae = Área externa. Ai = Área interna. Requiv = agua de río por debajo de los 50 ºC(0.0001 m 2ºC/W).
Hallamos el Coeficientes Global de Transferencia de Calor en funcionamiento, mediante la ecuación:
Dónde: h c e = Coeficientes de transferencia de Calor por convección externo. h c i = Coeficientes de transferencia de Calor por convección interno. A e = Área externa. A i = Área interna. 2 Requiv = agua de río por debajo de los 50 ºC(0.0001 m ºC/W). Fuente. INCROPERA, Frank y DEWITT, David. Fundamentos de transferencia de Calor, Prentice Hall. México 1999. Cuarta Edición. Pagina 585.
Re y Ri =
resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior e interior del
tubo. Respectivamente iguales a 0.0002 (W/m 2ºC).
Hallamos la resistencia térmica del depósito o el factor de ensuciamiento mediante la relación de la siguiente ecuación:
()
Rf
ANALISIS DE RESULTADOS
Al finalizar la práctica de laboratorio y obtener los cálculos adecuados, se puede decir que un intercambiador de tubos concéntricos se evalúa el coeficiente global de transferencia de calor en un flujo en contracorriente y así poder determinar el factor de película ensuciamiento que se pueden adherir a la tubería y afectar el rendimiento del intercambiador de calor Con pruebas experimentales se determinó la resistencia térmica del depósito, así mismo el rendimiento del intercambiador de calor, y el valor del factor de ensuciamiento. Teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van originando lentamente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones. Después de conocer el factor de ensuciamiento de forma cuantitativa, podemos ver que es un valor muy bajo con respecto al equipo y su uso. Se halló la resistencia térmica del depósito o el factor de ensuciamiento la cual fue de
.
De forma analítica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se halló en el intercambiador de calor no representa un valor alto lo cual quiere decir que no ejerce una resistencia térmica considerable lo cual va a permitir que el intercambiador de calor trabaje de forma eficiente y no se produzcan pérdidas considerables de energía y calor.
CONCLUSION
Con el tiempo a medida que vamos dándole uso a los intercambiadores de calor y dependiendo de las clases de fluidos que transportemos por ellos se van formando unas películas de suciedad en el interior de los tubos que provocan que se presente perdidas
de transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto de esta suciedad presenta un gran problema para las industrias que utilizan los intercambiadores de calor ya que provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema lo cual provoca pérdidas de eficiencia y energía; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios. La resistencia térmica del depósito se puede determinar, y generalmente muchos de los fluidos que son usados para el intercambio térmico se les conoce el factor de ensuciamiento lo cual ayuda a minimizar las pérdidas que se puedan presentar por su uso, a partir de ensayos reales o de la experiencia. De la anterior práctica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se encuentra en las tuberías no es, una resistencia térmica considerable, ya que es muy bajo permite un funcionamiento con una eficiencia alta del intercambiador de calor.
BIBLIOGRAFÍA
Frank Incropera, David DeWitt. Fundamentos de Transferencia de Calor. Prentice Hall. México 1999 (4° ed). ISBN 0-471-30460-3. 888 pp.
Donald Q. Kern. Procesos de Transferencia de Calor. McGraw Hill. México 1999. ISBN 968 26-1040-0. 981 pp.
Frank Kreith y Mark Bohn. Principios de Transferencia de Calor. Thomson Learning. México 2001 (6° ed). 700 pp.
Lienhard IV, John H. and Lienhard V, John H. A heat transfer textbook. Third edition. Cambridge,MA. 2005.
