UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS (ICYTAL) / ASIGNATURAS: Ingeniería de Procesos III (ITCL 234) PROFESORES: Elton F. Morales Blancas René A. Navarro Velásquez EXPERIENCIA Nº2 INTERCAMBIADORES DE CALOR 1. OBJETIVO: Determinar el coeficiente global de transferencia de calor en intercambiador de calor de placas. 2. LUGAR: Planta Piloto ICYTAL 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En las Industrias de Proceso una de las más importantes aplicaciones de la transferencia de calor entre dos fluidos es el diseño de los intercambiadores de calor. El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curvada. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o las superficies de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío. Fig. 1. Esquema general de un intercambiador de calor
Numerosos tipos de intercambiadores de calor son usados en las plantas de procesamiento de alimentos incluyendo equipos de transferencia de calor tipo tubulares, platos, superficie barrida, con inyección de vapor entre otros. En general, el diseño de cualquier intercambiador depende sobre la evaluación del coeficiente de transferencia de calor por convección, para el caso del producto y el medio de calentamiento. En muchas situaciones el coeficiente de transferencia de calor para los productos, especialmente si es que tienen un comportamiento de flujo no-newtoniano, puede indicar que el flujo ofrece una considerable mayor resistencia a la transferencia de calor que el medio de calentamiento. Intercambiador de calor de doble tubo. El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o tubos concéntricos. Este intercambiador es el que se muestra en la Figura 2, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace por el espacio anular entre ambas tuberías. Los fluidos pueden circular en paralelo o en contracorriente. El intercambiador puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil, principalmente para velocidades de flujo bajas. Fig. 2. Flujo en un intercambiador de calor de doble tubo. Intercambiador de calor de placas. En la mayoría de las aplicaciones en la industria moderna, los intercambiadores de calor de placas, como el mostrado en la figura 3, han desplazado a los tradicionales de tubos concéntricos, por varias razones; en primer término, debido a que los coeficientes de transferencia de calor son más elevados, lo cual hace que los equipos sean más compactos y con menor tiempo de residencia de los fluidos; también, los intercambiadores de placas son fácilmente desmontables, con lo cual se puede proceder a su limpieza con mayor rapidez que en los otros tipos de intercambiadores.
Fig. 3. Flujo en un intercambiador de calor de placas. Media logarítmica de las diferencias de temperaturas para intercambiadores de calor. La ecuación que gobierna la transferencia de calor en un intercambiador de calor es: q = UA ( Δ T ML ) q = velocidad de intercambio de calor entre dos fluidos que circulan por el intercambiador de calor. U = coeficiente de transferencia de calor, referido al área exterior (A). ΔT ML = Diferencia de temperatura media logarítmica. Δ T ML = ΔT M Ln( ΔT ΔT M m / ΔT m )
Perfiles de temperatura en un intercambiador de calor Flujo en paralelo Flujo en contracorriente
5. PROCEDIMIENTO: 5.1 Medición del flujo másico del producto: Regulando la llave de paso del agua del equipo, realice mediciones repetidas del flujo másico del producto cronometrando el tiempo que tarda en acumularse una determinada cantidad de agua en el recipiente. Determine el flujo másico (en kg/s) en triplicado. Para tomar las lecturas de temperaturas espere unos minutos hasta que todas se estabilicen. 5.2 Cálculo de Área: Con un pie de metro y una huincha tome las medidas que considere necesarias, y calcule el área de las canaletas de cada placa (tal como se indica en la figura 4) del intercambiador de calor (Figura 5 y 6). El calculo del área total debe considerar todas las placas de la etapa de calentamiento. 5.3 Medición: Con el sistema en régimen permanente, registre los valores de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes caliente y fría, obtenidas para el flujo másico de producto que ajustó en el paso anterior. Realice 3 mediciones ajustando a nuevos valores del flujo de producto, registrando los valores obtenidos para las cuatro temperaturas y el flujo másico de producto. Figura 4. Placa del intercambiador de calor.
Figura 5. Intercambiador de calor de placas frente. 5.4 Cálculos - Determine el valor de la Diferencia Media Logarítmica de temperaturas para cada flujo másico de producto - Calcular el flujo másico del agua caliente. - Calcule el área de una placa y del total de placas de la zona de calentamiento del intercambiador. - Calcule el calor transferido desde la corriente caliente hasta la corriente fría en base al flujo másico, el aumento de la temperatura de la corriente fría y al valor de C P del agua evaluado a la temperatura promedio del agua fría. - Calcule los valores de U para el intercambiador para cada flujo másico de agua fría. 6. INFORME: El informe debe incluir la toma de datos en terreno, además de los cálculos realizados para cada flujo másico de producto. 7. CONCLUSIONES Puntuales y que correspondan al trabajo experimental realizado.
Figura 6. Intercambiador de calor de placas atrás.
TABLA DE RESULTADOS Grupo I Tipo de Flujo: Masa producto (Kg) Tiempo de llenado (s) Flujo Producto (Kg / s) Tº Entrada Agua Caliente (ºC) Tº Salida Agua Caliente (ºC) Tº Entrada Producto (ºC) Tº Salida Producto (ºC) Flujo 1 Flujo 2 Flujo 3 Grupo II Tipo de Flujo: Masa Producto (Kg) Tiempo de llenado (s) Flujo Producto (Kg / s) Tº Entrada Agua Caliente (ºC) Tº Salida Agua Caliente (ºC) Tº Entrada Producto (ºC) Tº Salida Producto (ºC) Flujo 1 Flujo 2 Flujo 3 EFMB/ranv