Universidad Tecnológica de Panamá Facultad Facult ad de Ingeniería Eléctrica Lic. en Ingeniería Electromecánica
Transferencia de Calor Diseño de Intercambiador de Calor Julio 6, 2012
Jorge CARRERA / 8-864-742 Rafael FRANCESCHI / 8-844-1888
Prof. Miguel Jované Prof. 1IE-142
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Aplicar los conceptos básicos de Transferencia de calor en la selección, operación y diseño, de un intercambiador de calor.
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Inculcar en el estudiante la filosofía de diseño en ingeniería aplicando los conceptos aprendidos en clase.
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Aplicar los conce ptos de transferencia de calor e n la solución de un problema práctico de ingenie ría.
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Determinar la necesidad de diseñar un intercambiador de calor a través de la identificación de un problema real de ingeniería.
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Establece r los fluidos involucrados en la aplicación que requiere e l intercambiador de calor.
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Establecer los materiales y condiciones de flujo necesarias en la aplicación identificada.
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Determinar la tasa de transferencia de calor necesaria en el proceso.
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Establece r las características de transferencia de calor del intercambiador usando las propiedades de los fluidos, características de flujo y tipo(s) de intercambiador de calor.
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Determinar las dimensiones del intercambiador de calor y evaluar si cumple satisfactoriamente los requerimientos del proceso.
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Establece r los medios de movimiento de los fluidos involucrados en el proceso de intercambio de calor (e.g. bomba, abanico).
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Realizar los planos y especificaciones del diseño.
La aplicación que hemos seleccionado para nuestro intercambiador es la sección final de enfriamiento (postregeneración) de un sistema de pasteurización de leche del tipo HTST.
Figura 1. Diagrama del Sistema de Pasteurización de la Leche. En este diagrama, nue stro inte rcambiador está identificado como el punto 9 del proceso, donde la leche que ya ha sido pasteurizada es llevada a la temperatura final necesaria para ser almacenada en condiciones estériles en los tanques de refrigeración. Durante la pasteurización HTST la tempe ratura de la leche es elevada para eliminar cualquier tipo de bacterias que puedan afectar la salud del consumidor, luego para almacenar la leche ya esterilizada es necesario volver a bajar la temperatura rápidamente para evitar que se pierdan algunas vitaminas y el sabor deseado. Entonces se utilizan intercambiadores de calor para enfriar la leche y llevarla a la temperatura estipulada para ser almacenada o para ser trasladada al siguiente proceso (E j. Elaboración del Queso, Hel ado o Yogurt).
Los fluidos que se utilizan en nuestro intercambiador de calor son la Leche y el Agua Líquida. La Leche fluirá externamente por la coraza, mientras que el agua líquida fluirá internamente por los tubos. Debido a la aplicación de nuestro intercambiador de calor hem os escogido un fluido común que sea pasteurizado para su consumo (La Le che), y para el enfriamiento de la leche hemos escogido el agua líquida debido a sus propiedades, sus característi cas y porque es un fluido que e s puede conseguir fácilmente.
El material principal de nuestra c oraza y de los tubos inte rnos por donde pasará el agua líquida será el acero inoxidable AISI 304. El acero inoxidable AISI 304 es un material exigido para las industrias alimenticias ya que es sanitario e inhibe el crecimiento de bacterias perjudiciales para la salud, es relativamente de bajo costo comparado con el cobre y es resistente a un gran rango de temperaturas. La conductividad térmica del acero es de
= 14.9
∗ .
Además hemos seleccionado un material aislante para la capa exterior a nuestro intercambiador, ya que necesitamos que no haya transferencia de calor por convección con el ambiente. El material seleccionado es el Poliuretano proyectado el cual posee una conductividad térmica de 0.024
. ∗
Las velocidades sugeridas para nuestra aplicación tienen un gran rango de valores dependiendo de la cantidad de producto que se quiera procesar, en nuestro caso dependen de las dimensiones establecidas.
, y para e l agua líquida e s = 1.11 en cada tubo. 3 5 1 1 Los diámetros comerciales para el acero inoxidable AISI 304 son: 1", ", ", ", " 4 8 12 4 Para nuestro intercambiador hemos seleccionado un diámetro interno de " ó 0.0127 , para el diámetro 2 Para la leche la velocidad promedio es
externo (0.25
= 0.088
) no existe un valor comercial, entonces utilizando una máquina especial y un proceso conocido como
“Rolado” se crea el tubo a partir de una placa de acero.
3
El límite establecido para el volumen de nue stro intercambiador es máximo 1 . Para el área t ransversal y la longitud total era posible cualquier valor con tal de que cumpliera la restricción del volume n.
Tabla 1. Propiedades Te rmo-físicas de los Fluídos.
∗ [
Leche Agua Líquida
3892.79 4184
]
µ ∗ ∗ ∗ −3−3 ∗ [
]
[
2.09 10 1.080 10
1032 1000
Tabla 2. Flujo de Masa de cada Fluído.
ṁ [
Leche Agua Líquida
4.50 6.00
]
]
[
0.581 0.598
]
Para nuestra aplicación hay ciertas especificaciones que se deben de seguir, una de ellas son las temperaturas de entrada y de salida de la Leche. La temperatura de e ntrada de la Leche es de 62 ° , ya que generalmente ésta es la temperatura de salida del regenerador del punto 3 (ver Figura 1). La tempe ratura de salida de la Leche en nuestro intercambiador es de 10 ° , porque esta es la temperatura mínima requerida para almacenamiento de Leche sin que vuelvan a aparecer patógenos. En el caso del agua, la temperatura de entrada la hemos establecido nosotros como 7 ° .
Figura 2. Distribuciones de Temperatura para el intercambiador de contra flujo. Cálculo Temperatura de salida del Agua Primero ne cesitamos saber el valor de la razón de calor transferido de un fluído a otro (el cálculo se demostrará más adelante).
ṁ ∗ = 910 912.86
Establecemos una Temperatura Media (Primer caso [
,
= 26 ° ] ,
=
+
= 4179 [
]) ∗
,
,
Luego iteramos y revisamos si la Temperatura Media era adecuada. Tabla 3. Cálculo de la Temperatura de Salida del Agua
299
318
Iteración 2
298.1645
316.3290
Iteración 3
298.1645
316.3290
[ ]
Iteración 1
,
[ ]
Luego de la Tercera Iteración llegamos a la Conclusión que la Temperatura Media que estábamos utilizando ya se podía considerar como la adecuada.
,
= 316.3290 °
ṁℎ ∗ ∗ =
( , = 910 912.86 ,
,
)
Para nuestra aplicación hemos decidido escoger un intercambiador de calor de contraflujo con multitubos dentro de la coraza. Para obtene r la mejor eficiencia hemos escogido de tipo contraflujo, los f luidos entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas, y salen por extremos contrarios. Además para obtener flujo turbulento y alto coeficiente de transferencia de calor por convección hemos decidido que sea de multitubos. La cantidad de tubos seleccionada es de 60.
Cálculo del coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para la Leche. Cálculo del Diámetro Hidráulico
2 ∗ 1 4 2 2 2 ∗ 4 ∗ −3 2 1 2 2 ∗ ∗ ∗ ∗ (
=
(
=
)
)
= 0.0491
= 7.60
=
10
= 0.0415
=(
) + (60
=
4
) = 3.1793
= 0.0522
Cálculo del Número de Nusselt
∗ ∗ṁ∗ℎµℎ ℎ C ℎ∗µ ∗ ℎ −2 ∗ ∗ ∗ 0 5� 23 =
4
=
= (0.790
=
0.02052 8
1.07 + 12.7
ln
= 54881.01
,
)
= 14
1.64
(54881.01)
0.02052 8
= 0.02052
14
.
14
1
= 473.366
Cálculo del coeficiente de Transferencia de Calor por Convección
ℎ ∗ ℎ =
= 5268.78
2 ∗
Cálculo del coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para el Agua. Cálculo del Diámetro Hidráulico
=
= 0.0107
Cálculo del Número de Nusselt
ṁ60 ∗ ∗ ∗ µ C ∗µ ∗ −2 ∗ 0 5 ∗ 2 ∗ � 3 4
=
= 11 017.99
,
=
= (0.790
=
)
ln
0.0308 8
= 6.146
1.64
= 0.0308
(11017.99)
0.0308 8
1.07 + 12.7
6.146
.
6.146
= 88.79
1
Cálculo del coeficiente de Transferencia de Calor por Convección
ℎ ∗ =
= 4962.13
ℎ ∗ 2 ℎ ∗ ∗ ∗ ∗ ,
1
=
,
1
=
= 3.636
2
∗ −3 ∗ −4
= 0.0265
ln
=
2 ∗
10
= 1.2317
10
Como nuestro intercambiador de calor es nuevo no hay resistencia de incrustación. Tampoco hemos utilizado un sistema de aletas en nuestro intercambiador de calor.
Cálculo de
ℎ =
1
(ln +
∗ ∗ ℎ ∗
2
)
+
= 3311.72
2 ∗
Cálculo de
′ ′ ′ =
= 6679.408
∗
∆2 ∆1 ∆ ∆2 ∆ ∆∆2 1 1 = =
,
,
,
,
=
= 8.5967 °
∗∆ ′ ∗∆ =
=
= 15.86
∗ á
=
(
,
,
=
) = 963 465.82
= 94.54 %
á
Pérdida de Presión Interna en los Tubos
∆ ∗ ∗∗ 2 ∆ ∆ ∗ =
2
=
= 27 978
60 = 1. 678
Pérdida de Presión por Contracción Súbita
ṁ1 2 ∗ 2 ∆ ∗ =
= 122 199.00
(1
=
+
2
)
=
629
Pérdida de Presión Total en los Tubos
∆ ∆ ∆ =
= 1.678
Pérdida de Presión Externa en la Coraza
2 ∗ ∗ ∆ ∗ =
2
= 12 985
Pérdida de Presión por Irregularidad
∆ µ2 ∗ ∆ ∆ ∆ 60
=
=
+
= 373.93
= 13 359.03
Cálculo de la Potencia para las Bombas.
ṁ ∗∆ ṁℎ ∗∆ℎ =
= 10 068
=
= 53.72
= 18 = 0.1
Los cálculos de la potencia requerida para las bombas tan solo incluyen las pérdidas de presión interna. Los demás accesorios exte rnos no se tomaron en cuenta debido a que una apropiada configuración de las bombas evitaría el uso de accesorios externos y de tuberías demasiado l argas que provocarían caídas y pérdidas signif icativas. . En una carpeta anexada en el CD hemos colocado un dibujo e n AUTOCAD con las especif icaciones de nuestro intercambiador.
•
LEWIS, MICHAEL; HEPPELL, NEIL; 2000 Aspen Publications, United States of America.
•
FRANK INCROPERA, DAVID DeWITT, “
”. Pearson Education,
México •
Shah,Ramesh K.; Sekulic, Dusan P.; 2003, United States of America.
John Wiley & Sons, Inc,