Bibliografa recomendadaGeankoplis Pginas 241 - 300McCabe Pginas295 - 444Kern Transferencia de calor

Diagrama de fases un componente

En muchos procesos de la industria qumica se necesita calor, el que proviene generalmente de la combustin de diferentes sustancias.CalentamientoDirecto Indirecto

MTODOS DE CALENTAMIENTO INDIRECTOCasi invariablemente se usa agua o vapor en camisas o serpentines ( hasta poco ms de 150). Costo inicial y de funcionamiento es bajo. El vapor de agua es relativamente barato, no es txico, no es corrosivo, cede su calor a temperatura fija, se transporta en caeras.Aceites minerales, de 150-320C. Buen control de la temperatura, no son txicos, pero son de costo inicial elevado, necesitan muchos aparatos auxiliares, se descomponen y se inflaman.Dowtherm: Dowtherm A ( 73,5% xido de difenilo;26,5% de difenilo). Excelente control de la temperatura, costos de funcionamiento y conservacin razonables, no son inflamables, pero el costo de instalacin es muy elevado.

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre s.

Existen diseos de intercambiadores de calor con distintas geometras y materiales. Los sistemas indirectos utilizan una superficie para la transferencia de calor que mantiene separado el producto de los medios empleados para calentamiento o refrigeracin. Como ejemplos estn los intercambiadores de calor tubulares, de superficie raspada y de placas.Los sistemas directos permiten la mezcla ntima del producto con los medios calefactores, como son los sistemas de inyeccin y de infusin de vapor.

TUBO DOBLEEs el tipo ms sencillo de intercambiador de calor. Est constituido por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la direccin del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuracin en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo entremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuracin en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso lmite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

COMPACTOSSon intercambiadores diseados para lograr un gran rea superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razn entre el rea superficial de transferencia de calor y su volumen es la densidad de rea b. Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automviles, los intercambiadores de calor de cermica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmn humano.

En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre s. Esta configuracin de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El fljujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado ( uno de los fluidos fluye libremente en direccin ortogonal al otro sin restricciones ) y no mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos ). En la figura siguiente se muestran esquemas de ambos tipos de flujo:

CARCAZA Y TUBOSEs el tipo ms comn de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Este tipo de intercambiadores estn compuestos por gran cantidad de tubos ( a veces varios cientos ) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de stos, por el casco. Este tipo de intercambiadores se clasifican por el nmero de pasos por el casco y por el nmero de pasos por los tubos. En la figura siguiente se muestran dos ejemplos:

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE UN INTERCAMBIADOR. FACTOR DE INCRUSTACINEn el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo exterior, carcasa o casco, est perfectamente aislado trmicamente, es decir, no existe intercambio de calor con el exterior. Entonces se puede considerar que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como una pared cilndrica

Ai el rea de la superficie interior y Ao el rea de la superficie exterior de transferencia de calor.hi el coeficiente de pelcula interior y ho el coeficiente de pelcula exterior.

(1) En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente delgada Ai = Ao = A (2) El material del que est hecho el tubo es buen conductor del calor la resistencia trmica debida a conduccin es despreciable, entonces:

FACTOR DE INCRUSTACINCon el paso del tiempo se acumulan depsitos sobre las superficies de transferencia de calor de los intercambiadores que incrementan la resistencia trmica y hacen que disminuya la velocidad de transferencia de calor. El efecto neto de la acumulacin de depsitos se cuantifica mediante el llamado factor de incrustacin, Rf , que est tabulado para los diferentes fluidos. La acumulacin puede producirse en la pared interior, en la exterior o en las dos simultneamente lo cual se reflejar en el coeficiente global de transferencia de calor cuya expresin general quedar:

El problema bsico en los clculos relativos a los intercambiadores de calor es de dos tipos fundamentales:

Calcular otras variables (potencia trmica, coeficiente global, rea de transferencia necesaria) conocidas las temperaturas de entrada y salida de los fluidos frio y caliente. Para la resolucin de este problema el mtodo ms adecuado el de la Temperatura Media Logartmica ( LMTD - Log Mean Temperature Difference ).

Calcular otras variables siendo desconocidas la temperatura de salida de los fluidos frio y caliente. En este caso el mtodo ms adecuado es de la Efectividad-NTU ( Number of Transfer Units ).

MTODO DE LA TEMPERATURA MEDIA LOGARTMICA ( LMTD )La potencia trmica , Q , puesta en juego en el intercambiador de tubo doble responde a la siguiente expresin:

MTODO DE LA EFECTIVIDAD-NTUEste mtodo se basa en un parmetro adimensional llamado Efectividad de la transferencia de calor, e, definido de la siguiente forma:

Calderas

CALDERASSon generadores de vapor. Son recipientes cerrados que producen vapor de agua a mayor presin que la atmosfrica, a partir del calor absorbido desde el hogar de la caldera donde se quema el combustible.

Se pueden distinguir 3 partes principales:el hogar (fogn) que consta de 1 altar de la parrilla, del cenicero y cmara de combustibleel cuerpo de la caldera (la caldera propiamente tal) generalmente de forma cilndrica que contiene el fluido que se va a calentar.Los conductos de humo, por los que pasan los productos de la combustin.El hogar costa de una parrilla donde se coloca el combustible slido. Bajo la parrilla est el cenicero donde se acumulan los residuos de la combustin.

La superficie de calefaccin es la zona que est en contacto con el aguay las llamas (superficie de calefaccin directa)y los gases de la combustin (superficie de calefaccin indirecta).

COMBUSTIN: Es la combinacin de una sustancia con el oxgeno con la formacin de calor.

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES: Sustancias que al combinarse con el oxgeno, arden con gran desprendimiento de calor. Su obtencin debe ser relativamente barata y deben encontrarse en cantidad abundante. No deben ser txicos, ni destruir el hogar donde se produce la combustin

CombustiblesSe clasifican de acuerdo a su origen y estado fsico en :

Naturales: Slidos (madera y carbn)Lquidos (petrleo crudo y alquitrn)Gaseosos ( gas natural)

Artificiales: Slidos (carbn de madera, cokes, briquetas y residuos)Lquidos (gasolina, kerosene, fuel oil, breas lquidas)Gaseosos (gas pobre, gas de agua, gas de hulla, gas licuado)

En Chile se usa principalmente hulla (o hulla lignitfera).

Se hace a los carbones dos tipos de anlisis:Anlisis inmediato: consiste en la determinacin de la humedad, materiales voltiles, carbn fijo y cenizas. Adems se determina separadamente, azufre y poder calorfico.Anlisis mediato o elemental: se determinan los porcentajes de carbono, hidrgeno, nitrgeno y azufre, por mtodos analticos y directos.La combustin del carbn se realiza sobre lechos de sobre una parrilla soplando o aspirando aire (factor muy importante, con poco aire la combustin es incompleta; con mucho, se enfran los humos).No es muy comn el uso de carbn pulverizado.El carbn se almacena al aire libre o bajo agua (evita el peligro de combustin espontnea). La humedad del carbn que se le agrega agua para transportarlo es de 40%.Las cantidades relativas de las cenizas y su composicin imponen ciertas limitaciones al uso del carbn.

Para decidir la aplicacin de un combustible, es necesario tener presente tres caractersticas fundamentales:

El poder calorfico: es la cantidad de calor que puede obtenerse por la combustin completa de una cantidad unitaria de sustancia combustible bajo condiciones definidas. La temperatura de combustin: es la mxima temperatura que se alcanza de la combustin.Los residuos de la combustin: especialmente cenizas y escorias, que pueden ser perjudiciales por su cantidad (entorpecen la combustin y encarecen el transporte) o por su naturaleza ( atacan la estructura del hogar)

DefinicionesProduccin horaria, son los kilogramos de vapor saturado producido por la caldera por hora.Cmara de agua, toda la zona de la caldera que est con agua durante su operacin.Cmara de vapor es la zona en el interior de la caldera que contiene el vapor.Domo es una cavidad en forma de bveda que prolonga por arriba la cmara de vapor de una caldera y en la cual se halla la toma de vapor, lejos de la superficie de agua. Por tanto aumenta el volumen de la cmara de vapor y se obtiene el vapor ms seco posible.

Tipos de calderas

Capacidad o potencia de una caldera: la mejor forma de expresarla es a travs de la produccin horaria. Se usan algunas veces los HP de caldera, 1 boiler es igual a la evaporacin de 34,5 lb de agua desde 212 F a vapor a 212F. Otra forma es a travs del ratting. As ratting 100% es capaz de transferir 9.100 Kcal/h.

Accesorios de calderas:Economizadores : precalientan el agua que se emplea en la produccin de vapor; generalmente son tubos que se ponen en contacto con los humos.Precalentadores de aire: se hace pasar por tneles anexos al hogar o conductos de aire.ManmetrosIndicadores de nivel: tubo que da el nivel de agua en la cmara de aguaVlvulas de seguridad: la ms sencilla est formada por un resorte. Si la presin es muy alta, el resorte cede y sale vapor. Cuando la presin disminuye, el resorte cierra el paso al vapor.Inyectores: usan el mismo vapor para introducir a presin el aguaBombas: para agua, centrfugas, para petrleoReguladores automticos de nivelSeparadores de vapor, producen cambios bruscos de direccin del vapor para obtenerlo ms seco.

Reglamento de calderas:Las calderas de una industria deben inscribirse inmediatamente y se debe llevar un libro de registro donde est el N de inscripcin y el diario de vida de la caldera.Estn sometidas a controles peridicos y de instalacin. Se les hace una prueba hidrulica y otra de presin.Si el agua que llega a la caldera contiene mas de 1 g/l de dureza debe revisarse cada 6 meses para ver las incrustaciones.Los fogoneros deben tener un certificado de competencia.

Chequeo de rutina que se debe hacer a las calderas de baja presin:Se debe corroborar el funcionamiento de la vlvula de seguridad.Controlar el tubo de nivel ( se abren y se cierran peridicamente los grifos).Controlar la presin de trabajo de las bombas.En el caso de usar petrleo, revisar los quemadores y la llama que dan.Controlar la temperatura del agua de alimentacin (es importante para el rendimiento.Temperatura de los gases de combustin.Se toma muestras en el estanque de condensado y se determina la dureza.

Tratamiento del agua en alimentacin en calderas:

Los precipitados pueden adherirse a las paredes (incrustaciones).El CO2 y O2 pueden atacar las paredes de acero (corrosin).El vapor arrastra partculas de agua cargadas con sustancias salinas disueltas (impurificacin del vapor).

Tratamiento externo:Eliminacin de materias en suspensin: clarificacin (se agregan coagulantes qumicos como sulfato de aluminio) y filtracin a travs de capas de arena, ripio , calcita, etc.Ablandamiento: tiene por finalidad eliminar las sales causantes de la dureza (iones alcalino trreos). Se usan las resinas cidas, llamadas catinicas. Contienen un in hidrgeno intercambiable con todos los cationes. Suministran (por intercambiar hidrogeniones) un agua cida, la que debe ser neutralizada

Eliminacin de gases disueltos:El tratamiento se refiere a la eliminacin de oxgeno y CO2 dado que causan corrosinPara calderas de baja presin caractersticas de industrias pequeas, basta un solo tratamiento interno. Esto es la introduccin en la caldera de sustancias capaces de rebajar el ataque o hacer que las aguas sean inofensivas.

IncrustacionesSe usan agentes qumicos desincrustantes, que se agregan directamente al agua, con el fin que las partculas no se adhieran a las paredes, adems de otras sustancias que actan sobre la corrosin y la formacin de espuma. La disolucin de las incrustaciones se produce por fenmenos fsicos de desagregacin que tienen origen en la diferencia de volumen entres las incrustaciones sulfatadas o carbonatadas y los fosfatos insolubles, a los que aquellos dan lugar.

ResinasUna vez agotadas, son regeneradas con HCl o Acido sulfrico en exceso. En cambio si son regeneradas con NaCl, es decir, cambiando un in sodio por Ca y Mg. Estas resinas catinicas poseen una considerable capacidad de intercambio (por ejemplo, 80 de CaCO3/l de resina.La capacidad de una resina se expresa generalmente en g de CaCO3/l de resina. El rendimiento de una resina disminuye con su uso.

Evaporadores

ESQUEMA DE UN EVAPORADORVapor de disolventeDisolucin concentradaALIMENTOCALORVapor de aguaCondensado

Factores y Criterios

Tipos de evaporadores