Manual Operación BTC 2000

Banco de Transferencia de Calor

CENTRO REGIONAL DE OPTIMIZACIÓN Y DESARROLLO DE EQUIPO

CELAYA, GTO.

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n y

Prá

cticas

Manual de Operación y Prácticas del “Banco de Transferencia de Calor”

i

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ÍNDICE

NOMENCLATURA ........................................................................................................................ iii

INTRODUCCIÓN........................................................................................................................... 1

CAPÍTULO I: MANUAL DE PRÁCTICAS DEL EQUIPO BTC ...................................................... 3

1.1 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 4

1.2 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 4

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 4

1.4 ALCANCE Y LIMITACIONES ..................................................................................... 5

CAPÍTULO II: INTERCAMBIADORES DE CALOR DE SUPERFICIE .......................................... 7

2.1 TEORÍA GENERAL DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE SUPERFICIE ....... 7

2.2 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ......................................................... 8

2.3 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................ 11

2.4 COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR .................................... 20

2.5 ANÁLISIS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ................................................. 24

2.6 MÉTODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA ....... 26

2.7 ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA ............. 29

CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN Y OPERACIÓN DEL BANCO DE TRANSFERENCIA DE

CALOR ........................................................................................................................................ 32

3.1 DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRÁCTICAS. ...................................................... 32

3.2 PARTES Y COMPONENTES................................................................................... 33

3.3 CIRCUITO DE BAJA TEMPERATURA .................................................................... 33

3.4 CIRCUITO DE ALTA TEMPERATURA .................................................................... 40

3.5 INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL BTC ............................................................. 46

3.6 PROCESO DE OPERACIÓN DEL BTC ................................................................... 51

CAPÍTULO IV: PRÁCTICAS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA DEL

EQUIPO BTC .............................................................................................................................. 61

4.1 PRÁCTICAS EN BTC ............................................................................................... 62

4.2. PRÁCTICA 1 MANEJO DEL BANCO DE PRÁCTICAS DE TRANSFERENCIA DE

CALOR. .......................................................................................................................... 63

4.3 PRÁCTICA 2 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA ENTRE LOS FLUIDOS

........................................................................................................................................ 70

4.4 PRÁCTICA 3 CÁLCULO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA

LOGARÍTMICA ............................................................................................................... 72

4.5. PRÁCTICA 4 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR ........ 74

4.6 PRÁCTICA 5 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA .................................. 77

4.7 PRÁCTICA 6 EFICIENCIA DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA ...... 80

CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 82


ii

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ANEXOS ...................................................................................................................................... 83

ANEXO A: FUNCIONES DE LOS COMPONENTES DE BTC ...................................... 84

ANEXO B: EJEMPLO DE ANÁLISIS DEL INTERCABIADOR DE TUBOS Y CORAZA 87

ANEXO C: CONTROLADORES DE TEMPERATURA Y USO DEL SOFTWARE ........ 92

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................... 106

CREDITOS ................................................................................................................................ 107


iii

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NOMENCLATURA

PARÁMETRO SÍMBOLO

Área de transferencia de calor del intercambiador de calor. As

Área del cuerpo en contacto con el fluido. Ah

Área flujo. as

Calor específico del fluido. cp

Conductividad térmica. k

Claro entre tubos. C

Coeficiente de transferencia de calor total. U

Coeficiente de convección. h

Densidad del fluido. ρ

Diámetro. D

Diámetro equivalente. De

Diámetro interior de la coraza. Ds

Diferencia de temperatura media logarítmica. ΔTml

Diferencia de temperatura media logarítmica para contraflujo. ΔTml,CF

Distancia entre deflectores. B

Entalpía específica h

Factor de corrección. F

Rf,i

Rf,e

Factor de incrustación en el interior de la tubería.

Factor de incrustación en el exterior de la tubería.

Factor de incrustación. Rf

Flujo másico. m

Flujo másico en área flujo. Gs

Longitud de la tubería. L

Numero de Nusselt. Nu

Número de Reynolds. Re

Número de Prandtl. Pr

Paso transversal. Pt

Radio de la tubería. r


iv

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Resistencia térmica. R

Rhi

Rhe

Resistencia térmica a la convección en el interior de la tubería.

Resistencia térmica a la convección en el exterior de la tubería.

Resistencia térmica a la convección y conducción en la tubería. RTotal

Relación de temperaturas para determinar el factor de corrección. Zp

Relación de temperaturas para determinar el factor de corrección Y

Resistencia térmica a la conducción en la pared de los tobos RTubería

Temperatura T

Temperatura del fluido lejos del cuerpo T∞

Transferencia de calor. Q

Transferencia de calor a través de la tubería. TuberíaQ

Velocidad media del fluido circulante en la tubería. V

Viscosidad dinámica del fluido. μ

Viscosidad dinámica a la temperatura de la superficie de la tubería. μs

SUBÍNDICES

Exterior de la tubería. e

Interior de la tubería. i

Superficie interior de la tubería si

Superficie exterior de la tubería. se

Fluido interior de los tubos. i

Fluido exterior a los tubos e

Convección interior de la tubería. hi

Convección exterior a la tubería. he

Superficie de transferencia de calor s

Fluido caliente. c

Fluido frío. f

Fluido caliente a la salida del intercambiador. cs

Fluido caliente a la entrada del intercambiador ce

Fluido frío a la salida del intercambiador. fs

Fluido frío a la entrada del intercambiador. fe


v

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Salida fluido que circula por los tubos. ST

Entrada del fluido que circula por los tubos. ET

Entrada del fluido que circula por el lado de la Coraza. EC

Salida del fluido que circula por el lado de la coraza. SC


1

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INTRODUCCIÓN

En la práctica de la ingeniería, la comprensión de los mecanismos de

transferencia de calor es de vital importancia en la solución de problemas,

diseño de vehículos, plantas generadoras de energía, equipo para

acondicionamiento de aire, etc. Por ello, para los estudiantes de ingeniería la

forma de aprendizaje es importante y más si se adquiere a través de la

práctica. El trabajo de laboratorio involucra al estudiante en métodos prácticos

que reafirman sus conocimientos teóricos, así como el despertar de una

inquietud de estudio más profunda y sobre todo, una apreciación mas critica de

los fenómenos analizados.

En el presente trabajo se propone el desarrollo de un conjunto de prácticas

fundamentadas objetivamente en el aprendizaje y optimización de los

conocimientos sobre intercambiadores de calor de tubo y coraza, descripción,

sus principios de funcionamiento, cuidados, así como el procedimiento de

operación del equipo didáctico “Banco de Transferencia de calor”, denominado

BTC.

La intención de este manual, es que este se utilice por los estudiantes que

toman el curso de transferencia de calor en ingeniería a nivel licenciatura, y

como manual de consulta para los ingenieros en ejercicio.

Debido a los equipos y sistemas que conformaran el equipo BTC los

conocimientos requeridos para la elaboración del presente manual son del área

de: flujo de fluidos (medición de flujo, caídas de presión y pérdidas de energía

por fricción), transferencia de calor (mecanismos de transferencia de calor e

intercambiadores de calor de tubos y coraza, entre otros) e instrumentación.

Por lo que el presente trabajo consta de cuatro capítulos. En el capítulo I, se

tratan los aspectos generales que justifican la razón de la elaboración del


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presente manual, planteando desde el objetivo general, hasta los objetivos

específicos, el alcance y limitaciones que porta el proyecto BTC.

En el capítulo II se presentan los aspectos teóricos sobre intercambiadores de

calor, tipos, modos de transferencia de calor, comportamiento térmico, etc.

Por otra parte, en el capítulo III se aborda la descripción del equipo, partes,

componentes, y proceso de operación. El proceso de operación se describe a

manera de pasos consecutivos que deberá seguir el practicante al generar

fenómenos de intercambio de energía entre dos fluidos en el equipo.

El capítulo IV cumple con el objetivo general, el cual está basado en 6 prácticas

planteadas, cada una de ellas con su objetivo, para lograr mediante ellas los

aspectos objetivos específicos del presente trabajo. Finalmente se presentan

conclusiones y bibliografía.


3

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CAPÍTULO I: MANUAL DE PRÁCTICAS DEL EQUIPO BTC

Actualmente las instituciones de educación superior se encuentran

involucradas en procesos de cambio que están orientados; de conformidad

con las directrices de la UNESCO y de la secretaria de Educación Pública de

nuestro país, hacia modelos educativos de calidad y excelencia, en donde el

alumno es el eje central del proceso de enseñanza, aprendizaje y en donde la

educación es pertinente.

En México, la educación superior busca desarrollar en el alumno habilidades de

investigación, de comunicación y de pensamiento que enriquecerán su

capacidad para tomar decisiones responsables y resolver problemas de

acuerdo con las necesidades del desarrollo sustentable. Estas destrezas

intelectuales posibilitarán la inserción de sus egresados en el ámbito laboral y

representarán una garantía para el aprovechamiento de aprendizajes

posteriores. Para lograr dichas destrezas, es necesario contar con equipo

didáctico que simule procesos reales a los que se puede enfrentar el egresado

en la industria y fomente el autoaprendizaje.

Con el uso de equipos didácticos se logra un aprendizaje significativo en el

alumno; es decir, éste elabora e interioriza, hace suyos, conocimientos,

habilidades, destrezas, en base a experiencias relacionadas con sus propios

intereses y necesidades. Esto da como resultado que el alumno se sienta

motivado a aprender.

Sin embargo, en la mayoría de las ocasiones, se realiza con equipos

industriales, los cuales se montan de manera provisional, antiestética, insegura

y de difícil conexión, donde no es fácil simular fallas. Por lo que es necesario el

diseño y construcción de equipos didácticos para uso en las carreras de

ingeniería y ciencias físico matemáticas para que el alumno se familiarice con

un entorno muy parecido al laboral.


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BTC-004-11 Ver. 1.0

En el presente trabajo se propone el desarrollo de un conjunto de prácticas

fundamentadas objetivamente en el aprendizaje y optimización de los

conocimientos sobre intercambiadores de calor de tubo y coraza, sus principios

de funcionamiento, cuidados, así como el procedimiento de operación del

equipo didáctico “Banco de Transferencia de calor”, denominado BTC.

1.1 JUSTIFICACIÓN

En la práctica de la ingeniería, la comprensión de los mecanismos de

transferencia de calor es de vital importancia en la solución de problemas,

diseño de vehículos, plantas generadoras de energía, refrigeradores, equipo

para acondicionamiento de aire, etc. Por ello, para los estudiantes de ingeniería

la forma de aprendizaje es importante y más si se adquiere a través de la

práctica.

El trabajo de laboratorio involucra al estudiante en métodos prácticos que

reafirman sus conocimientos teóricos, así como el despertar de una inquietud

de estudio más profunda y sobre todo, una apreciación mas critica de los

fenómenos analizados.

1.2 OBJETIVO GENERAL

Elaborar un manual de prácticas de laboratorio en el área de intercambiadores

de calor, específicamente de intercambiadores de tubos y coraza, con el fin de

brindar al estudiante una herramienta complementaria para su desarrollo

profesional.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Los objetivos específicos de este manual de prácticas son:

Cubrir los principios básicos sobre intercambiadores de calor.

Presentar la conveniencia de utilizar intercambiadores de calor del tipo

tubo y coraza, con deflectores y operando a contraflujo.


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BTC-004-11 Ver. 1.0

Desarrollar una comprensión intuitiva sobre intercambiadores de calor

en el estudiante.

Que el estudiante desarrolle habilidades tales como medición,

observación, participación e integración de conocimientos, así como el

desarrollo de la habilidad para trabajar con equipo de trabajo.

1.4 ALCANCE Y LIMITACIONES

La intención de este manual, es que este se utilice por los estudiantes que

toman el curso de transferencia de calor en ingeniería a nivel licenciatura, y

como manual de consulta para los ingenieros en ejercicio.

El equipo didáctico “Banco de Transferencia de calor” (ver figura 1.1) debido a

los equipos y sistemas que lo conforman incluye las áreas siguientes: flujo de

fluidos (medición de flujo, caídas de presión y pérdidas de energía por fricción),

transferencia de calor (mecanismos de transferencia de calor e

intercambiadores de calor de tubos y coraza entre otros), instrumentación,

refrigeración por compresión mecánica de un vapor.

Por lo que se hace notar que en este trabajo solo se desarrollará el análisis de

un intercambiador de calor de tubos y coraza. Los parámetros que se podrán

variar en el equipo son: temperatura de los flujos caliente y frio; y sus flujos

respectivos. Lo cual permitirá caracterizar un intercambiador de calor de tubos

y coraza, de dos pasos por los tubos y un paso por la coraza, por el circulará

agua caliente a través de la coraza y agua fría por el interior de cuatro tubos.


6

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Figura 1.1 Equipo didáctico “Banco de Transferencia de calor”.


7

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CAPÍTULO II: INTERCAMBIADORES DE CALOR DE SUPERFICIE

Una de las aplicaciones más comunes de la transferencia de calor se

encuentra en el diseño y selección de intercambiadores de calor de superficie.

Aun y cuando los problemas que intervienen en el diseño completo de un

intercambiador de calor son múltiples y de carácter muy diverso, la metodología

para predecir el comportamiento térmico es relativamente sencilla.

Dentro de los múltiples aspectos que se deben considerar en el diseño de un

intercambiador de calor cabe enumerar los siguientes: esfuerzos mecánicos y

dilataciones térmicas en las tuberías, problemas de corrosión, depósito de

sólidos en las líneas de flujo, caídas de presión, peso y tamaño del

intercambiador y desde luego el costo. Este último factor juega eventualmente

un papel sumamente importante en el diseño o selección de un tipo de

intercambiador de calor y debe mantenerse siempre en mente.

En el presente manual, solo se trataran los aspectos de diseño térmico para

condiciones ya establecidas de un intercambiador de calor y los diferentes

aspectos que involucra el cálculo de su eficiencia.

2.1 TEORÍA GENERAL DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE

SUPERFICIE

Los intercambiadores de calor de superficie son equipos que facilitan el

intercambio de energía térmica entre dos fluidos a temperaturas diferentes, sin

que estos se mezclen entre sí. En la práctica, los intercambiadores de calor son

de uso común en una amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas

domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire, hasta los procesos

químicos y la producción de energía en plantas.

En un intercambiador la transferencia de energía térmica, suele comprender

convección en cada fluido y conducción a través de la pared del material que


8

BTC-004-11 Ver. 1.0

los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente

trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total (U), que toma en

cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La

velocidad de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado de

un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura

local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador. En el análisis de los

intercambiadores de calor, suele ser conveniente trabajar con la diferencia de

temperatura media logarítmica, ΔTml, la cual es una diferencia media

equivalente de temperatura entre los dos fluidos para todo el intercambiador. El

coeficiente de transferencia de calor (U), así como la diferencia media

logarítmica de temperaturas (ΔTml), y su metodología de cálculo se describen

más adelante.

2.2 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos

de accesorios y configuraciones del equipo para dicha transferencia. El intento

de acoplar los accesorios para la transferencia de calor a cada tipo de

necesidades, dentro de las restricciones específicas, ha conducido a

numerosos tipos de diseños innovadores de intercambiadores de calor.

Intercambiador de Doble Tubo

El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos

de diámetros diferentes (figura 2.1), llamado intercambiador de calor de tubo

doble. En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo

más pequeño, en tanto que en el otro lo hace por el espacio anular entre los

dos tubos. En un intercambiador de calor de tubo doble son posibles dos tipos

de disposición del flujo: en el flujo paralelo los dos fluidos, el frío y el caliente,

entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma

dirección. Por otra parte, en el contraflujo los fluidos entran en el

intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.


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Intercambiador Compacto

Otro tipo de intercambiador de calor, diseñado específicamente para lograr una

gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen, es el

compacto. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse

de manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce

como flujo cruzado, el cual todavía se clasifica más como flujo no mezclado o

mezclado, dependiendo de su configuración, como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.1 Perfiles asociados de temperaturas en un intercambiador de calor de tubo

doble en paralelo y en contraflujo.

Figura 2.2 Intercambiadores de calor de flujo cruzado.

Fluido caliente

Fluido frío

a) Flujo cruzado (no mezclado)

b) Flujo cruzado (mezclado)


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En la figura 2.2a el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las aletas de

placa fuerzan al fluido a moverse por un espaciamiento particular entre ellas e

impiden su movimiento en la dirección transversal (es decir, paralelo a los

tubos). Se dice que el flujo cruzado que se ilustra figura 2.2b es mezclado,

dado que el fluido ahora tiene libertad para moverse en la dirección transversal.

Intercambiador de Tubos y Coraza

El tipo más común de intercambiador de calor en aplicaciones industriales es el

de casco y tubos, figura 2.3. Estos intercambiadores de calor contienen un gran

número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes

paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de

los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por

fuera de estos, pasando por el casco. Es común la colocación de desviadores

en el casco para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicho

casco con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener

un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son

adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño

relativamente grandes. Nótese que en un intercambiador de este tipo los tubos

se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se

encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los

tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos.

Figura 2.3 Intercambiador de calor de casco y tubos.


11

BTC-004-11 Ver. 1.0

Los intercambiadores de casco y tubos se clasifican según el número de pasos

que se realizan por el casco y por los tubos. En la tabla 2.1 se muestran dos

ejemplos que facilitan la comprensión sobre la clasificación de los

intercambiadores de calor de tubo y coraza.

Tabla 2.1 Pasos múltiples en un intercambiador de calor de tubos y coraza.

Clasificación del intercambiador Estructura física

Intercambiador de un paso por el casco

y dos pasos por los tubos.

Intercambiador de dos pasos en el

casco y cuatro pasos por los tubos.

2.3 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor se transfiere de un cuerpo a otro por medio de tres mecanismos, ya

sea de forma individual o combinada, ver figura 2.4: conducción, convección y

radiación; los cuales dependen del medio en el que se transfiere la energía.

Figura 2.4 Mecanismos de transferencia de calor.


12

BTC-004-11 Ver. 1.0

CONDUCCIÓN

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas

de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de

interacciones por contacto directo entre esas partículas. La conducción puede

tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los gases y líquidos la

conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su

movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las

vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por

parte de los electrones libres. La ley de Fourier para flujo de calor por

conducción unidimensional en dirección l, esta dada por la ecuación 2.1.

l

TkAQ 2.1

Donde, k es la conductividad térmica del material, A área de transferencia de

calor y ∂T/∂l el gradiente de temperatura. Por lo que, la velocidad de la

conducción de calor a través de un medio depende de la configuración

geométrica de éste, su espesor y el material de que esté hecho, así como la

diferencia de temperatura a través de él.

Ecuación General de Conducción de Calor

A partir de que los intercambiadores de calos están constituidos en su mayoría,

por elementos cilíndricos. La ecuación 2.2, muestra la ecuación general de

conducción de calor en coordenadas cilíndricas.

t

Tcq

z

Tk

z

Tkr

rr

Tkr

rrgen2

11 2.2

El flujo de calor a través de la pared de una tubería, debido a que su longitud

(L) es mucho mayor que su radio (r), el flujo se considera únicamente en la


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BTC-004-11 Ver. 1.0

dirección radial, es decir se tiene flujo de calor unidimensional, T(r); además

que una tubería en intercambiadores de calor, no tiene generación de calor.

Aunque se sabe que la conductividad térmica es función de la temperatura,

k(T); para fines de cálculo en ingeniería se puede usar la conductividad

promedio del material, a la temperatura promedio. Lo anterior trae como

consecuencia que la conductividad sea constante, por tanto, introduciendo lo

anterior en ecuación 2.2, se obtiene una nueva ecuación aplicada a tuberías,

ecuación 2.3.

t

T

r

Tr

rr

11 2.3

Por lo general el análisis de intercambiadores de calor se requiere hacerlo en

condiciones de estado estable, es decir en condiciones de operación normales

del proceso para el cual se emplea; por lo que las propiedades de los flujos no

dependen del tiempo, por ende la temperatura en el material de las tuberías

depende únicamente del radio T = T(r), por tanto la ecuación 2.3 se reduce a:

0dr

dTr

dr

d 2.4

Para la tubería mostrada en la figura 2.5, las condiciones de frontera son:

T(ri) = Tsi 2.5

T(re) = Tse 2.6


14

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 2.5 Parámetros para establecer condiciones de frontera en tuberías.

Resolviendo la ecuación diferencial 2.4 y sustituyendo las condiciones de

frontera, ecuaciones 2.5 y 2.6, tenemos que el gradiente y perfil de temperatura

quedan definidos como:

2.7

2.8

Para obtener la expresión para el flujo de calor se sustituye el gradiente de

temperatura (ecuación 2.7) y el área de conducción (A=2πrL) en la ley de

Fourier, ecuación 2.1.

2.9

Reacomodando la ecuación 2.9, se tiene:

Tubería

sesiTubería

R

TTQ 2.10

Donde


15

BTC-004-11 Ver. 1.0

Lk

rrR ie

tubería2

)ln( 2.11

Rtubería, es la resistencia térmica de la capa cilíndrica contra la conducción de

calor, o, simplemente, la resistencia a la conducción de la capa cilíndrica.

Considerando ahora el flujo unidimensional de calor en estado estacionario a

través de una capa cilíndrica que está expuesta a la convección en ambos

lados hacia fluidos que están a las temperaturas T∞i y T∞e, con coeficientes de

transferencia de calor hi y he, respectivamente, como se muestra en la figura

2.6, en este caso, la red de resistencias térmicas consta de una resistencia a la

conducción y dos a la convección, en serie.

Figura 2.6 Red de resistencias térmicas para un casco cilíndrico.

total

ei

R

TTQ 2.12

Donde

ei htuberíahtotal RRRR

ee

ie

ii

totalhrk

rr

hrLR

1)ln(1

2

1 2.13


16

BTC-004-11 Ver. 1.0

CONVECCIÓN

La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía

térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de

partículas calientes hacia áreas más frías en un medio material. A diferencia de

conducción pura, ahora, el fluido en movimiento está adicionalmente envuelto

en la convección. Este movimiento ocurre en fluidos o en el interior de ellos,

pero no en sólidos porque en estos, las partículas mantienen su posición

relativa hasta tal punto que no se permite el movimiento o el flujo en masa de

las mismas, y por lo tanto la convección no puede ocurrir.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del

Enfriamiento de Newton:

)( TThAQ sh 2.14

Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), Ah es el

área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie

del cuerpo y T∞ es la temperatura del fluido lejos del cuerpo, ver figura 2.7.

Figura 2.7 Capa límite térmica.

La convección sucede en dos formas: convección natural y convección

forzada.


17

BTC-004-11 Ver. 1.0

En la convección natural, el fluido circula alrededor de una fuente de calor, se

vuelve menos denso y se eleva. Entonces en los alrededores, el fluido más frío

se mueve para remplazarlo. Este fluido frío es entonces calentado y el proceso

continúa, formando la convección. La fuerza impulsora de la convección natural

es la flotabilidad, como resultado de las diferencias en la densidad del fluido

cuando la gravedad o cualquier otro tipo de aceleración está presente en el

sistema.

La convección forzada, en contraste, ocurre cuando bombas, ventiladores u

otros mecanismos son usados para impulsar el fluido y crear una convección

artificialmente inducida.

En algunos sistemas de transferencia de calor, tanto la convección forzada

como la natural contribuyen significativamente al índice de transferencia de

calor.

Para calcular el índice de convección entre un objeto y su alrededor fluido, los

ingenieros emplean el coeficiente convectivo de transferencia de calor, h. A

diferencia de la conductividad térmica, el coeficiente convectivo no es una

propiedad del material. El coeficiente convectivo depende de la geometría,

fluido, temperatura, velocidad y otras características del sistema en el cual la

convección ocurre. Por lo tanto, el coeficiente convectivo debe ser derivado o

encontrado experimentalmente para cada sistema analizado. Las fórmulas y las

correlaciones están disponibles en muchas referencias para calcular el

coeficiente convectivo para configuraciones y fluidos típicos.

Flujo turbulento completamente desarrollado en tubos lisos, la relación

más adecuada según Colburn y Dittus-Boelter para el número de Nusselt,

es:

nNu PrRe023.0 8.0 2.15

Donde k

DhNu ii 2.16


18

BTC-004-11 Ver. 1.0

iVDRe 2.17

k

cPr

p 2.18

El exponente n es n=0.4 para el calentamiento y 0.3 para el enfriamiento

del fluido que fluye por el tubo.

Las propiedades del fluido se evalúan a la temperatura media aritmética de

la masa de éste. Cuando la diferencia de temperatura entre el fluido y la

pared es muy grande, puede ser necesario usar un factor de corrección

para tomar en cuenta las viscosidades diferentes cerca de la pared y en el

centro del tubo.

El número de Nusselt para flujo sobre el banco de tubos de

intercambiador de calor de tubos y coraza está definido por la ecuación

2.191.

2.19

En donde el diámetro equivalente (De) se determina mediante la relación

2.201, este diámetro es función de el paso transversal (Pt), y del claro entre

los tubos (C), ver figura 2.8. Gs está determinado mediante la relación 2.21.

El último factor se aplica para cuado la diferencia de temperaturas entre la

superficie de los tubos y el fluido es muy grande.

2.20

sa

mGs

2.21

1 M. C. Antonio Valiente Barderas, Problemas de transferencia de Calor, LIMUSA, Pág.320.


19

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 2.8 paso transversal y distancia entre tubos.

Para determinar el valor de as se calcula mediante la relación 2.22

Pt

CBDa S

s 2.22

En esta última relación, se consideran a el diámetro interior de la coraza

(DS), la distancia entre cada uno de los deflectores (B), ver figura 2.9, y, el

ya mencionado claro entre tubos (C).

Figura 2.9 Distancia entre deflectores (B).

RADIACIÓN

La radiación es la transferencia de calor a través de la radiación

electromagnética. Fríos o calientes, todos los objetos emiten radiación a un

índice igual a su emisividad multiplicada por la radiación que emitiría si fuera un

cuerpo negro. Para que la radiación ocurra no se necesita ningún medio; la

radiación incluso ocurre en el vacío perfecto. La radiación del Sol viaja a través

del vacío del espacio antes de calentar la tierra. Además, la única forma que la

energía deje la tierra es que sea emitida a través de radiación hacia el espacio.


20

BTC-004-11 Ver. 1.0

En el análisis de intercambiadores de calor, este mecanismo no es relevante,

de hecho se considera a los intercambiadores de calor adiabáticos. Por tanto

no hay radiación.

2.4 COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que

fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere

del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared

por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por

convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los

coeficientes de transferencia de calor por convección.

Como se muestra en la figura 2.10 la red de resistencias térmicas asociada con

este proceso de transferencia de calor contiene dos resistencias a la

convección y una a la conducción.

Figura 2.10 Red de resistencias térmicas en un intercambiador de calor.


21

BTC-004-11 Ver. 1.0

En este caso, los subíndices i y e se refieren a las superficies interior y exterior

del tubo o tubos interiores.

Así pues, por ejemplo, para un intercambiador de calor de tubo doble, se tiene

Ai=πDiL y Ae=πDeL

2.23

En donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la

longitud del tubo. Ai es el área de la superficie interior de la pared que separa

los dos fluidos y Ae es el área de la superficie exterior de esa misma pared. En

otras palabras, Ai y Ae son las áreas superficiales de la pared de separación

mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente.

En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar

todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de

calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la

velocidad de la transferencia de calor entre los dos fluidos como:

TAUTAUTUAR

TQ eeii 2.24

En donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, cuya unidad es

CmW o./ 2 , la cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convección común

h. Cancelando ΔT, la ecuación anterior se convierte en:

ee

Pared

iieeiis AhR

AhR

AUAUUA

11111 2.25

Quizá nos preguntaremos por qué se tienen dos coeficientes de transferencia

de calor totales, Ui y Ue para un intercambiador de calor. La razón es que todo


22

BTC-004-11 Ver. 1.0

intercambiador de calor tiene dos áreas superficiales para la transferencia de

calor, Ai y Ae, las cuales, en general, no son iguales entre sí.

Nótese que UiAi=UeAe, pero Ui≠Ue a menos que Ai=Ae. Por lo tanto, el

coeficiente de transferencia de calor total U de un intercambiador de calor no

tiene significado a menos que se especifique el área sobre la cual se basa. En

especial, este es el caso cuando uno de los lados de la pared del tubo tiene

aletas y la otra no, ya que el área superficial del lado con aletas es varias veces

mayor que la que no las tiene.

Factor de Incrustación

El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso

del tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies

de transferencia de calor. La capa de depósitos representa una resistencia

adicional para esta transferencia y hace que disminuya la velocidad de la

misma en un intercambiador. El efecto neto de estas acumulaciones sobre la

transferencia de calor se representa por un factor de incrustación Rf el cual

es una medida de la resistencia térmica introducida por la incrustación.

El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que

se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor.

Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos

químicos, es la corrosión y otra la incrustación química. En este caso las

superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones

químicas sobre ellas. Esta forma de incrustación se puede evitar recubriendo

los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los

metálicos. Los intercambiadores también peden incrustarse por el crecimiento

de algas en los fluidos calientes. Este tipo de incrustación se le conoce como

incrustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico.


23

BTC-004-11 Ver. 1.0

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

diseño de transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación.

La limpieza periódica de los intercambiadores y el tiempo de suspensión de

actividades resultante son inconvenientes adicionales asociados con la

incrustación.

Es obvio que el factor de incrustación es cero para un nuevo intercambiador, y

aumenta con el tiempo a medida que se acumulan los depósitos sólidos sobre

la superficie del mismo. El factor de incrustación depende de la temperatura de

operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del servicio.

La incrustación se incrementa al aumentar la temperatura y disminuir la

velocidad.

La relación del coeficiente de transferencia de calor total dada con anterioridad

es válida para superficies limpias y es necesario modificarla para tomar en

cuenta los efectos de la incrustación sobre las superficies interior y exterior del

tubo. Para un intercambiador de calor de casco y tubos, sin aletas, se puede

expresar como

2.26

En donde Rf,i y Rf,e son los factores de incrustación en esas superficies.

En la tabla 2.2 se dan valores representativos de factores de incrustación para

agua por arriba y debajo de los 50 °C. Como el lector esperaría, existe una

incertidumbre en estos valores y deben ser usados como una guía en la

selección y evaluación de los intercambiadores, con el fin de tomar en cuenta

los efectos de la incrustación anticipada sobre la transferencia de calor.


24

BTC-004-11 Ver. 1.0

Tabla 2.2 Factores de incrustación representativos.

Agua destilada, agua de mar, agua de río, agua de

alimentación para calderas:

Rf, m2 °C/W

Por debajo de 50°C

Por arriba de 50°C

0.0001

0.0002

2.5 ANÁLISIS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común y un ingeniero

se encuentra a menudo en la posición de seleccionar un intercambiador de

calor que logre un cambio de temperatura específica de una corriente de fluido

de gasto de masa conocido, o bien, de predecir las temperaturas de salida de

las corrientes de fluido caliente y del frío en un intercambiador de calor

específico.

Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos sin

cambios en sus condiciones de operación. Por lo tanto, se pueden considerar

como aparatos de flujo estable. Como tales, el gasto de masa de cada fluido

permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la

velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas. Asimismo,

las corrientes de fluido experimentan poco o ningún cambio en sus velocidades

y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energía cinética y en la

potencial son despreciables. En general, el calor específico de un fluido cambia

con la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede

considerar como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en

la exactitud. La conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser

insignificante y se puede considerar despreciable. Por último, se supone que la

superficie exterior del intercambiador de calor está perfectamente aislada, de

modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio circundante y cualquier

transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos.


25

BTC-004-11 Ver. 1.0

Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy aproximadamente

en la práctica y simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con

poco sacrificio de la exactitud. Por lo tanto son de uso común. Con esta

hipótesis, la primera ley de la termodinámica requiere que la velocidad de la

transferencia de calor hacia el frío; es decir,

2.27

2.28

En donde los subíndices c y f se refieren a los fluidos caliente y frío,

respectivamente.

Nótese que la velocidad de la transferencia de calor Q se toma como una

cantidad positiva y se sobreentiende que su dirección va del fluido caliente

hacia el frío, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.

La velocidad de la transferencia de calor en un intercambiador también se

puede expresar de una manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento

como

mls TUAQ 2.29

En donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, As es el área de

transferencia de calor y ΔTml es una diferencia promedio apropiada de las

temperaturas entre los fluidos.

El valor promedio del coeficiente de transferencia de calor total se puede

determinar, utilizando los coeficientes de convección promedio para cada

fluido. Resulta que la forma apropiada de la diferencia media de temperatura

entre los dos fluidos tiene naturaleza logarítmica.


26

BTC-004-11 Ver. 1.0

2.6 MÉTODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA

Con el fin de desarrollar una relación para la diferencia de temperatura

promedio equivalente entre los dos fluidos considérese el intercambiador de

calor de tubo doble y flujo paralelo que se muestra en la figura 2.11, se debe

comprender que la diferencia de temperatura ΔT entre los fluidos caliente y frío

es grande en la entrada del intercambiador, pero disminuye en forma

exponencial hacia la salida. Como el lector esperaría, la temperatura del fluido

caliente decrece y la del frío aumenta a lo largo de dicho intercambiador, pero

la temperatura del fluido frío nunca puede sobrepasar la del caliente, sin

importar cuán largo sea dicho intercambiador.

La figura 2.11 permite comprender el comportamiento de los fluidos que

intercambian energía dentro de un intercambiador. La diferencia de

temperatura entre los dos fluidos disminuye desde ∆T1 a la entrada hasta ∆T2 a

la salida. Por lo tanto, al determinar la velocidad de la transferencia de calor en

un intercambiador, siempre se debe usar la diferencia de temperatura media

logarítmica. Para flujo a contraflujo la diferencia media logarítmica se calcula

mediante ecuación 2.30.

2.30

En este caso ∆T1 y ∆T2 representan la diferencia de temperatura entre los dos

fluidos en ambos extremos (de entrada y de salida) del intercambiador. No

existe diferencia con respecto a cuál de los extremos de éste se designe como

la entrada o la salida (figura 2.11).


27

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 2.11 Temperaturas de los fluidos en un intercambiador de calor.

Factor de Corrección por Múltiples Pasos y Flujo Cruzado

La relación para la diferencia de temperatura media logarítmica ∆Tml

desarrollada con anterioridad sólo se limita a los intercambiadores de flujo a

contraflujo. También se desarrollan relaciones similares para los

intercambiadores de flujo cruzado y de casco y tubos de pasos múltiples, pero

las expresiones resultantes son demasiado complicadas debido a las

complejas condiciones de flujo. Para dichos intercambiadores se usa La

ecuación 2.31. Ecuación conveniente para relacionar la diferencia equivalente

de temperatura con la relación de la diferencia media logarítmica para el caso

de contraflujo, como

CFmlml TFT , 2.31

En donde F es el factor de corrección, el cual depende de la configuración

geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de


28

BTC-004-11 Ver. 1.0

las corrientes de fluido caliente y frío. CFmlT , , es la diferencia media logarítmica

de temperatura para el caso del intercambiador a contraflujo. ∆Tml es la

diferencia media logarítmica para el intercambiador de calor.

Para un intercambiador de flujo cruzado y uno de casco y tubos de pasos

múltiples, el factor de corrección es menor que la unidad; es decir .1F El

valor límite de F=1 corresponde al intercambiador a contraflujo. Por tanto, el

factor de corrección F para un intercambiador de calor es una medida de la

desviación de la ∆Tml con respecto a los valores correspondientes para el caso

de contraflujo.

En la figura 2.13 se da el factor de corrección F para las configuraciones

comunes de los intercambiadores de flujo cruzado y de casco y tubos en

función de las razones de temperaturas Zp y Y, definidas como:

ETEC

ETST

pTT

TTZ 2.32

ETST

SCSC

TT

TTY 2.33

En donde los subíndices ST y SC refieren a la salida de los tubos y de la coraza,

respectivamente, ET y EC refieren a la entrada y salida de los tubos,

respectivamente, como se muestra en los diagramas del factor de corrección

(figura 2.12). No existe diferencia en que el fluido caliente o el frío fluyan por la

coraza o el tubo. La determinación del factor de corrección F requiere que se

disponga de las temperaturas de entrada y de salida, tanto para el fluido frío

como para el caliente.

Advierta también que el valor de Zp va desde 0 hasta 1. Por otra parte, el de Y

va desde 0 hasta infinito, Y=0 corresponde al cambio de fase (condensación o

ebullición) del lado de la coraza y Y al cambio de fase del lado del tubo. El

factor de corrección es F=1 para estos dos casos límite. Por lo tanto, el factor


29

BTC-004-11 Ver. 1.0

de corrección para un condensador o un evaporador es F=1, sin importar la

configuración del intercambiador de calor.

Existen también otros gráficos para determinar el factor F para otro tipo de

intercambiadores de calos, los cuales no se presentan en este manual, ya que

el objetivo del presente trabajo es brindar la información suficiente para realizar

prácticas en el BPTC.

Figura 2.12 Factor de corrección F para intercambiadores de calor.

2.7 ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

Los cambiadores de calor de coraza y tubos o de haz y envolvente son los más

usados en la industria de proceso. Los componentes principales de estos

cambiadores son el cabezal de entrada, el envolvente o carcaza, los tubos o

haz y el cabezal de retorno. Para mejorar la transferencia de calor en el lado


30

BTC-004-11 Ver. 1.0

externo de los tubos en estos cambiadores se utilizan deflectores, también

llamados mamparas o bafles, los cuales permiten el aumento de velocidad en

el exterior de los tubos.

Para mejorar la transferencia de calor en el fluido que viaja por el interior del

tubo se usan también mamparas que dividen al cambiador haciendo que el

fluido pase repetidamente por el mismo.

Los pasos aumentan la velocidad, el coeficiente y también las pérdidas por

fricción.

Existe una amplia variedad de aspectos referentes al diseño de estos equipos,

aunque el número de componentes básicos es realmente pequeño.

Los tubos son los componentes básicos de los intercambiadores de calor, ya

que son los que proveen la superficie de transferencia de calor entre los fluidos

que van dentro y fuera de ellos. Los tubos para intercambiadores de calor son

especiales y no deben confundirse con otro tipo de tubería comercial. La

longitud de los tubos va desde 2.44, 3, 4.88, 6.0 y 7.3 m (8, 10, 16, 20 y 24

pie). Los tubos se arreglan con espaciamiento o distancia de centro a centro

triangular o cuadrado; en los intercambiadores los tubos suelen ser de 15.8, 19,

32 y 38 mm (5/8, 3/4, 5/4, ó 3/2 pulg).

La envolvente o coraza es simplemente el recipiente del fluido externo a los

tubos y las boquillas son la entrada y salida. La envolvente está hecha

comúnmente de placas de metal, las que se cortan y sueldan para dar las

dimensiones requeridas. Las envolventes de diámetros menores a 60 cm (24

pulg) se pueden construir de tubería comercial.

En la figura 2.13 se muestra la forma en como esta constituido un

intercambiador de calor muy común en el uso, el cual corresponde ser al

intercambiador del BTC, constituido de cuatro tubos y coraza.


31

BTC-004-11 Ver. 1.0

La ecuación general de transferencia de calor para un intercambiador de tubos

y coraza es la siguiente:

FTUAQ CFmls , 2.34

El coeficiente de transferencia de calor total esta calculado mediante la

siguiente relación:

2.35

Figura 2.13 Forma de un intercambiador de calor de tubos y coraza.

Este coeficiente está en función de los diámetros interior y exterior de los tubos

del intercambiador, de la conductividad térmica del material de los tubos, y de

los coeficientes de convección interior y exterior a los tubos. Para determinar

los coeficientes de transferencia de calor por convección, se utilizan las

ecuaciones 2.15, 2.16 y 2.19.


32

BTC-004-11 Ver. 1.0

CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN Y OPERACIÓN DEL BANCO DE

TRANSFERENCIA DE CALOR

En el presente capítulo se describen todos y cada uno de los componentes que

conforman el Banco de Transferencia de Calor. Se describe al detalle el diseño

del intercambiador de calor (arreglo de tubos, pasos, circulación de flujos, etc);

así como el proceso para operar el equipo y condiciones necesarias de los

componentes.

3.1 DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRÁCTICAS.

El Banco de Transferencia de Calor (BTC) mostrado en la figura 3.1 es un

equipo versátil, capaz de proporcionar perfiles de temperatura de manera directa

en un monitor de computadora, diseñado y construido para generar la práctica

que fomente el conocimiento de los fenómenos de transferencia de calor. En su

forma y estructura, esta destinado para aplicación manual del usuario, e

inspección inmediata de los resultados.

Figura 3.1 Estructura del Banco de transferencia de calor.


33

BTC-004-11 Ver. 1.0

3.2 PARTES Y COMPONENTES

El montaje de este equipo (figura 3.2) se encuentra sobre una mesa, en la cual

se instalan los tableros de control, el intercambiador de calor de tubos y coraza,

rotametros, tubería, bombas para ambos fluidos, tina de fluido frío y caliente,

cajas de alimentación, unidad de condensación, etc.

Figura 3.2 Principales partes del banco de prácticas de transferencia de calor.

Para un mejor plan de trabajo con las prácticas en este manual, se divide al

banco de prácticas en dos circuitos:

- Circuito de baja temperatura.

- Circuito de alta temperatura

3.3 CIRCUITO DE BAJA TEMPERATURA

El circuito de baja temperatura es responsable de establecer, manipular y

controlar los parámetros necesarios para que el flujo de fluido frío intercambie

energía a su paso por el intercambiador de calor. Por ello, Los componentes

del circuito de baja temperatura (figura 3.3) son: unidad de condensación,


34

BTC-004-11 Ver. 1.0

tablero de control derecho, válvulas de control de flujo frío, tina de fluido frío,

bomba de fluido frío y rotámetro para flujo frío.

Figura 3.3 Componentes del circuito de baja temperatura.

Unidad de Condensación.

El circuito de baja temperatura incluye una unidad de condensación que forma

además parte de un sistema de refrigeración que opera por compresión

mecánica de vapor, con la cual se logra obtener las condiciones de

temperatura del fluido frío necesarias para ingresar al intercambiador de calor.

La unidad de condensación es del tipo motor compresor, sellada

herméticamente, con una capacidad de refrigeración hasta de 5 kW, a 32.2 C. El

refrigerante usado es R404a y el motor es de 1.5 a 2.0 hp, tres fases, 220-230 V,

60 hz. Un juego de ventiladores proporciona aire frío para el condensador, ver

figura 3.4.

Las bobinas del evaporador están localizadas dentro de la tina de fluido frío,

mencionada anteriormente. El circuito del refrigerante esta completamente


35

BTC-004-11 Ver. 1.0

instrumentado con calibradores de presión y succión el cual incluye protección

contra sobre presión. La válvula de expansión termostática (ver figura 3.5) esta

colocada normalmente a -7 C.

Figura 3.4 Sistema de refrigeración del banco de prácticas de transferencia de calor.

Figura 3.5 Válvula de expansión termostática.

El sensor esta colocado entre las bobinas interna y externa en el tanque. La

unidad de condensación es cargada, ajustada y checada antes de ser entregada

nueva y no necesitará ajustarse. En caso de mal funcionamiento, deberá

consultar un técnico experto o un ingeniero en refrigeración.

El sistema de refrigeración, al operar, ajusta al fluido hacia una temperatura

establecida por el practicante en un controlador de temperatura, bajo el

concepto de refrigeración que refiere a la transferencia de energía desde un

espació con menor temperatura a otro con mayor temperatura.


36

BTC-004-11 Ver. 1.0

Tablero de Control Derecho.

En la figura 3.6 se ilustra la posición del tablero de control derecho, en la

estructura de BTC, y en la figura 3.7 se indican sus componentes, de los cuales

se describe su función en el anexo A1.

Figura 3.6 Posición del tablero de control derecho en la vista frontal del BTC.

Figura 3.7 Partes principales del tablero de control derecho.

Interruptor general

Interruptor bomba fluido frío

Lámpara Piloto Bomba fluido frío

Interruptor compresor

Lámpara Piloto compresor

Lámpara Piloto de Interruptor General

Control de temperatura UT350


37

BTC-004-11 Ver. 1.0

El tablero de control derecho establece las condiciones con las que intercambia

energía el fluido del circuito de baja temperatura al cruzar el intercambiador de

calor.

Válvulas de Control de Flujo.

Estas dos válvulas, cierran y abren en forma manual. La válvula control flujo frío

1 regula directamente el gasto medido por el rotametro y que entra al

intercambiador de calor, mientras tanto, la válvula control de flujo frío 2 controla

el flujo recirculado hacia la tina que contiene al fluido. Las válvulas están

situadas en la parte posterior del BTC, justo después de la salida de la bomba

para el fluido frío, ver figura 3.3.

Tina de Fluido Frío.

El cuerpo de la tina esta hecho de acero inoxidable 304 calibre 16 SWG, mide

600x500x400 mm, con acabado pulido P3V. La capacidad máxima del tanque es

120 litros. En la tina de fluido frío se localizan sumergidas las bobinas del

evaporador (ver figura 3.8), estás son dos bobinas conectadas en serie, una

interna y otra externa (una se sitúa en el interior de la otra) que se encargan de

absorber el calor del agua y sobre de ellas se forma una capa de hielo. En la

parte exterior llevan un forro o cubierta de fibra de vidrio envuelto en tela de alta

temperatura de color azul.

Figura 3.8 Sistema de refrigeración y tina fluido frío.


38

BTC-004-11 Ver. 1.0

Bomba de Fluido Frío

La bomba de fluido frío es del tipo integrada, es decir, el motor y el impulsor

forman una unidad integral sin sellos en la flecha y con solo dos bridas

especiales para conectarse a la tubería exterior. El rotor es de acero inoxidable

y el impulsor de un material compuesto especial, resistente a la corrosión. La

carcaza es de acero al carbono EN-JL1030 DIN W –Nr 30 B ASTM. El motor es

de 1/6 hp, de 220 V a una fase, con un rango de flujo de 3.8 a 174 l/min (1 a 46

gpm), rango de carga de 0.3 a 10 m, presión máxima de trabajo de 1000 kPa

(145 psi), temperatura mínima del fluido de -10 °C, temperatura máxima del

fluido 110 °C.

La bomba tiene bridas roscadas de 3/4 pulg, tanto en la succión como en la

salida, usando directamente conectores externos de cobre de 3/4 pulg NPT en la

succión y en la salida. Todas las conexiones de los tubos de trabajo de baja

temperatura están aisladas con cinta teflón.

Es importante destacar que la bomba está instalada como parte de una red de

tubería, la cual está conformada por tubos de cobre tipo M y codos de cobre de

90º. El fluido que entra a la bomba, entra a menor presión en comparación con la

de salida. La tubería conduce al flujo desde la tina a la bomba, de la bomba al

rotametro, de este al intercambiador, y finalmente retorna a la tina. Otra sección

de tubería parte de la salida de la bomba y retorna a la tina, esta tubería es

instalada para cumplir el propósito de recircular el fluido contenido en la tina y

uniformizar la temperatura en cualquier punto de su interior.

La red de tubería para el circuito de baja temperatura consta a lo largo de su

trayecto de dos manómetros. Dichos dispositivos indican la presión manométrica

del fluido frío a la entrada y salida del intercambiador de calor, ver figura 3.9.


39

BTC-004-11 Ver. 1.0

Rotámetro Fluido Frío.

La razón del flujo es medida con un rotámetro calibrado en l/min o en gal/min,

ver figura 3.10. A partir del uso del rotámetro para la medición de gasto, se

establece entonces un método de medición directo, pues comprende la

medición real de la cantidad de flujo. El Rotámetro está construido de un tubo

vertical cónico, por el que el fluido se mueve hacia arriba y dentro del cual se

encuentra el rotor o elemento activo del medidor.

Unas paletas hacen que el rotor gire lentamente alrededor del eje del tubo,

manteniéndolo así centrado dentro del tubo. Debido a que la velocidad es

menor en la parte superior del tubo (mayor sección de flujo ahí) que en la parte

inferior, el rotor busca una posición neutral donde el arrastre sobre él mismo

equilibre apenas su peso. Es entonces cuando el practicante inspecciona

visualmente, determina el flujo circulante y controla el gasto a partir de abrir o

cerrar las válvulas de control de flujo.

Figura 3.9 Bomba para fluidos frío, caliente y la red de tubería.


40

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.10 Rotametro para flujo de fluido frío.

Se debe destacar que la medición de flujo se registra a través de la inspección

visual, por lo que es recomendable para el practicante realizar la toma de

registro con delicadeza, dado que en mediciones como este tipo, siempre

existe un determinado error, ya que no se puede leer con total exactitud el

gasto en la escala graduada de los rotametros.

3.4 CIRCUITO DE ALTA TEMPERATURA

El circuito de alta temperatura es responsable de establecer, manipular y

controlar los parámetros necesarios para que el flujo de fluido caliente

intercambie energía a su paso por el intercambiador de calor. Por ello, los

componentes del circuito de alta temperatura (figura 3.11) son: tablero de

control izquierdo, válvulas control de flujo caliente, tina de fluido caliente,

bomba de fluido caliente y rotámetro de fluido caliente.


41

BTC-004-11 Ver. 1.0

Tablero de control izquierdo

A través de él, se fijan las condiciones de temperatura para el fluido caliente, se

pone en marcha el flujo de fluido caliente, se da energía al tablero de control

derecho, a partir de los elementos con los que cuenta. La figura 3.12 muestra el

tablero de control izquierdo y sus componentes, los cuales tienen una función

propia, descrita en el anexo A1 de este manual.

Figura 3.11 Componentes del circuito de alta temperatura.


42

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.12 Tablero de control izquierdo y sus componentes.

Válvulas de control de flujo caliente

Estas dos válvulas, cierran y abren en forma manual. La válvula control flujo

caliente 1 regula directamente el gasto medido por el rotametro y que entra al

intercambiador de calor, mientras tanto, la válvula control de flujo caliente 2

controla el flujo recirculado hacia la tina que contiene al fluido. Las válvulas están

situadas en la parte posterior del BTC, justo después de que el fluido atraviesa la

bomba que imprime en el, presión, ver figura 3.11.

Tina de fluido caliente

En la tina de fluido caliente se encuentran sumergidas las resistencias eléctricas

que suministrarán energía para elevar la temperatura del fluido contenido. La tina

es de acero inoxidable 304 calibre 16 SWG, con aislamiento en las cuatro

paredes laterales, sus dimensiones son 700x400x550 mm. El aislamiento tiene


43

BTC-004-11 Ver. 1.0

50 mm de fibra de vidrio cubierta con tela especial para alta temperatura.

Capacidad máxima de 150 litros de agua caliente. La tina por un lado, tiene

adecuadamente colocados los tres bornes de cada uno de los tres calentadores

de inmersión de 3 kW de salida, ver figura 3.13. La temperatura del agua caliente

es seleccionada y controlada por controlador electrónico operado

automáticamente. La tina tiene una tapa de acero inoxidable del mismo tipo que

su cuerpo, diseñada para cerrarse adecuadamente y sin problemas al abrirse.

Un tubo de vidrio vertical, encerrado en una funda de acero inoxidable y ahogado

en resina cristal, esta colocado adecuadamente al frente del tanque como

indicador de nivel. La entrada de succión de la bomba del lado del tanque es de

45 mm de diámetro por 63 mm de largo barrenada y roscada a 3/4" NPT.

Figura 3.13 Tina de fluido caliente y sus tres calentadores eléctricos.

Bomba fluido caliente

La bomba de fluido caliente es del tipo integrada, es decir el motor y el impulsor

forman una unidad integral sin sellos en la flecha y con solo dos arandelas

especiales para sellarlos. El rotor es de acero inoxidable y el impulsor de un

material compuesto especial, resistente a la corrosión. La carcaza es de acero

al carbono EN-JL1030 DIN W–Nr 30 B ASTM. El motor es de 0.5 hp, con un

rango de flujo de 34 a 295 l/min (9 a 78 gpm), rango de carga de 0.3 a 13.7 m,

presión máxima de trabajo de 10 bar (145 psi), temperatura mínima del fluido –

10 °C, temperatura máxima del fluido 110 °C. Los datos eléctricos son: potencia

0.5 hp, tres fases a 220 V, 60 hz, hermético, clase de aislamiento (IEC 85) clave

F.


44

BTC-004-11 Ver. 1.0

La bomba tiene bridas roscadas de 1 1/4 pulg, tanto en la succión como en la

salida, pero se reduce el diámetro por medio de conectores externos de cobre

hasta 3/4 pulg NPT en la succión y 3/4 pulg NPT en el lado de salida.

Rotámetro fluido caliente

La razón del flujo es medida con un rotámetro calibrado en l/min o en gal/min, su

colocación en el BTC, se muestra en figura 3.14.

Figura 3.14 Posición del rotámetro para fluido caliente en el BTC.

El Rotámetro de flujo caliente está construido de un tubo vertical cónico, por el

que el fluido se mueve hacia arriba y dentro del cual se encuentra el rotor o

elemento activo del medidor. Unas paletas hacen que el rotor gire lentamente

alrededor del eje del tubo, manteniéndolo así centrado dentro del tubo. Debido

a que la velocidad es menor en la parte superior del tubo (mayor área de flujo)

que en la parte inferior, el rotor busca una posición neutral donde el arrastre

sobre él mismo equilibre apenas su peso. Es entonces cuando el practicante

debe inspeccionar visualmente para determinar el flujo circulante y controlar el

gasto a partir de abrir o cerrar las válvulas de control de flujo.


45

BTC-004-11 Ver. 1.0

Controladores de temperatura

Cada circuito cuenta en cada uno de sus tableros de control, con un

controlador universal de temperatura marca YOCOGAWA UT-350, tal como se

ilustra en las figuras 3.7 y 3.12. En la figura 3.15 se identifican los componentes

del panel de operación del UT350 y en el anexo A1 se describen las funciones

de cada uno de estos componentes.

Figura 3.15 Controlador de temperatura UT350 y sus componentes.

Los circuitos de baja y alta temperatura en conjunto con el intercambiador de

calor forman un sistema (figura 3.16), por lo que no pueden operar si alguno de

ellos no funciona. En dicho sistema, el circuito de baja temperatura es

responsable de establecer las condiciones de temperatura al fluido frío, con las

cuales recibirá energía en el transcurso en el que atraviesa al intercambiador

de calor, el circuito de alta temperatura realiza lo mismo pero para el fluido

caliente.

Teclas para cambio de datos

Lámpara modo manual

Tecla para entrada de

datos

Lámpara indicadora del

número de punto de control

Carátula valor entrada de la medición (PV)

Lámpara indicadora del número alarma

Punto de control (SP)


46

BTC-004-11 Ver. 1.0

3.5 INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL BTC

Los cambiadores de calor de coraza y tubos o de haz y envolvente como el que

está instalado en el BTC, (con el fin de que en el se de lugar el intercambio de

energía entre el circuito de baja y alta temperatura), son los más usados en la

industria de proceso. Los componentes principales de este cambiador son el

cabezal de entrada, el envolvente o coraza, los tubos o haz y el cabezal. En la

figura 3.17 se muestra el cuerpo del intercambiador de calor montado en el

BTC.


47

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.16 Grafico del sistema en el que operan los circuitos de temperatura y el intercambiador de calor.

SISTEMA DE FLUIDO CALIENTE

Max. 9 kW

Resistencias 3 kW c/u

SISTEMA DE FLUIDO FRÍO

Max. 6 kW


48

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.17 Intercambiador de calor en el BTC.

Para generar prácticas en el equipo, es necesario que el practicante conozca las

características del intercambiador, dado que de ellas dependen los parámetros que

rigen la transferencia de calor. Para ello se presenta en este manual la tabla 3.1 en la

que se describen características necesarias para la realización de experimentos y

análisis en el intercambiador. Los tubos se encuentran colocados en la forma como

se muestra en la figura 3.18 y dispuestos a distancias mostradas en la figura 3.19.

Ocho deflectores de acero inoxidable 304, igualmente espaciados están localizados

dentro de la coraza, montados entre los tubos y soldados a una barra central de

acero inoxidable. Dichos deflectores que han de soportar a los mismos tubos y que

tienen como función principal desviar al fluido externo que fluye sobre los tubos, se

encuentran instalados como se ilustra en la figura 3.20. Esta distribución de los

deflectores restringe al flujo a cambiar de dirección continuamente, lo que genera

una mayor turbulencia en el flujo. Cada deflector tiene barrenos por los cuales

atraviesan los cuatro tubos, y que a su vez ayudan a mantener fijos a dichos tubos.


49

BTC-004-11 Ver. 1.0

Tabla 3.1 Características geométricas del intercambiador de calor.

Figura 3.18 Posición de los tubos dentro del intercambiador de calor.

Figura 3.19 Arreglo de los tubos del intercambiador de calor.

Figura 3.20 Posición de los deflectores con respecto a los tubos en el intercambiador.

PARTES MATERIAL DIÁMETRO (m) LONGITUD Pasos

INTERIOR EXTERIOR

CORAZA

Acero

Inoxidable

304

0.11

0.1143

0.65

1

TUBOS

Tubo cobre

43 pulg

Tipo M

0.0207

0.022225

0.6215

2


50

BTC-004-11 Ver. 1.0

El espaciamiento entre deflectores (figura 3.21) es de gran importancia para el cálculo del

intercambio de energía dentro del intercambiador de calor.

Las dimensiones y cotas del intercambiador de calor se muestran en la figura 3.22, la cual

muestra un dibujo del intercambiador de calor.

Figura 3.21 Espaciamiento entre deflectores.


51

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.22 Dimensiones principales del intercambiador de calor de tubo y coraza.


51

BTC-004-11 Ver. 1.0

Cada elemento que constituya al intercambiador de calor influye en la manera

en como fluirán los fluidos en su interior. Así pues las posiciones en las que los

fluidos ingresan al intercambiador de calor y la manera en como fluyen a través

de el, se muestra mas adelante.

En el intercambiador de tubo y coraza, uno de los fluidos se introduce por un

conjunto de tubos colocado en una placa tubular unida a esta a un cabezal y la

salida directamente al otro extremo del mismo cabezal, todo esto en el lado

derecho del banco. El otro fluido, el del lado de la coraza va dentro de ella, ésta

tiene los ocho deflectores mencionados, los cuales dirigen el flujo alrededor de

los tubos en forma cruzada, promoviendo el proceso de transferencia de calor.

El intercambiador de tubo y coraza se considera como una unidad completa, es

del tipo simple de un paso en la coraza y de dos pasos por los tubos, los cuales

forman una “u” en uno de sus extremos, ver figura 3.23.

3.6 PROCESO DE OPERACIÓN DEL BTC

Para realizar prácticas en el BTC, es necesario seguir los siguientes ocho

pasos:

Paso 1: Conexión del Banco de Prácticas de Transferencia de Calor a

toma de corriente. Conectarlo a una fuente externa de voltaje trifásico de

220 V, hilo neutro y conexión a tierra física, debidamente protegida

mediante interruptores termo magnéticos.


52

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.23 Circulación de los dos fluidos en el intercambiador de calor.

Paso 2: Energizar Banco de Prácticas de Transferencia de Calor. Girar

interruptor general hacia la derecha en un ángulo de O45 , tal como se ilustra

en la figura 3.24. Al girar el interruptor general a la posición de energizado,

verificar la iluminación de la lámpara piloto del interruptor general, con esto

el practicante comprueba que el banco de prácticas de transferencia de

calor está encendido. Si no enciende la lámpara piloto, consultar a un

técnico, no llevar acabo el proceso, dado que en ello se indica una posible

falla.

Figura 3.24 Posición interruptor general y lámpara piloto a) Apagado b) Energizado.

Paso 3: Energizar sistemas de control de los circuitos de baja y alta

temperatura. Para energizar los sistemas de control de baja y alta

temperatura, es necesario oprimir los botones siguientes, ver figura 3.25:


53

BTC-004-11 Ver. 1.0

a) Botón de energía para control

b) Botón energizador para control en circuito de baja temperatura

c) Botón energizador para control en circuito de alta temperatura

Mediante estos botones se suministra energía para controlar los circuitos

de baja y alta temperatura. Estos botones son interruptores del tipo push

button, de accionamiento manual y retención mecánica. Al oprimirlo, se

ilumina el foco piloto indicando su estado energizado, oprimiéndolo

nuevamente, regresa a su posición inicial apagándose el foco piloto. Una

vez realizados los pasos anteriores y estando encendidos los foco piloto,

significa que se ha enviado voltaje adecuado a todos los componentes del

banco de prácticas, los controladores de temperatura se encenderán

instantáneamente y ellos muestran las temperaturas reales de los fluidos

frío y caliente, que existen en el interior de las tinas (una temperatura en

cada controlador de temperatura correspondiente). Esta lectura la registra

la carátula valor de entrada de la medición PV.

Figura 3.25 a) Botones no oprimidos, apagados. b) Botones oprimidos, encendidos.

Paso 4: Establecer temperaturas deseadas en los controladores

Yokohama. Para fijar temperaturas a los fluidos caliente y frío en los

tableros de control izquierdo y derecho respectivamente, oprimir las teclas

para cambio de datos de los controladores de temperatura de los dos

circuitos, dicha temperatura es establecida con anticipación por el

practicante para el proceso de intercambio de energía. Al inicio del


54

BTC-004-11 Ver. 1.0

experimento, los fluidos de ambos circuitos tendrán aproximadamente la

temperatura ambiente. Con las teclas para cambio de datos, subir o bajar la

temperatura hasta ajustarla a la deseada, según lo indique la flecha; es

decir, la que apunta hacia arriba aumenta la temperatura del circuito

correspondiente y por ende la tecla que apunta hacia abajo disminuye la

temperatura del mismo circuito, ver figura 3.26.

Figura 3.26 Teclas para cambio de datos.

Al apretar cualquier tecla para cambio de datos, parpadea un led o foco

piloto del controlador, llamado lámpara indicadora del modo manual.

La temperatura que se ha seleccionado y que se debe fijar (ver paso 4) se

registra en la carátula punto de control SP.

Paso 5: Fijar temperaturas deseadas en los controladores Yokohama.

Una vez establecida la temperatura deseada en los controladores, oprimir la

tecla para entrada de datos, con esto fija la temperatura seleccionada en los

controladores. La lámpara indicadora del modo manual deja de parpadear,

permaneciendo encendida e indicando con ello que se fijó la temperatura en

el controlador, ver figura 3.27.


55

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.27 Opresión sobre la tecla para entrada da datos.

Paso 6: Encender calefactores y sistema de refrigeración. Una vez fija

la temperatura del circuito de alta y baja temperatura, encender el

interruptor para calefactores. Con ello, los calefactores comienzan a

transferir energía al fluido que se encuentra en el interior de la tina

correspondiente, generando una diferencia de densidades entre las capas

de fluido, es decir, transfieren calor a las capas inmediatas en contacto por

conducción, las cuales disminuyen su densidad y se remueven con respecto

a las capas adyacentes, generando así convección en el interior de la tina,

ver figura 3.28. En el caso en que la temperatura que se desee fijar al

circuito de alta temperatura sea menor a la que se encuentra el fluido

contenido en la tina correspondiente, se debe encender las bombas (ver

paso 7) de los dos circuitos con motivo de que este fluido se enfríe al

intercambiar energía en el intercambiador con el otro fluido (fluido frío). Se

recomienda enfriarlo por debajo de la temperatura deseada para después

elevar su temperatura ajustándola con los calefactores.

Figura 3.28 Encendido de calefactores y transferencia de calor al fluido del circuito de

alta temperatura.


56

BTC-004-11 Ver. 1.0

Gire también el interruptor compresor (simultáneamente con el interruptor

para calefactores) para que la unidad de condensación refrigere al fluido

contenido en la tina correspondiente y haga descender su temperatura

hasta la establecida en el controlador, ver figura 3.29.

Por otra parte, si se desea establecer una temperatura mayor a la que

posee realmente en el fluido del circuito de baja temperatura, lo que

significa que necesita ganar energía y así elevar su temperatura, deberá

encender las bombas de ambos circuitos para lograr dicho objetivo

mediante el intercambiador, hasta establecer una temperatura un poco

mayor a la deseada para después ajustarla con nuestra unidad de

condensación.

Figura 3.29 Encendido del interruptor compresor.

IMPORTANTE: Para realizar intercambio de energía con motivo de obtener

temperatura establecida (necesidad de intercambiar energía entre los

fluidos) deberá cerciorarse que se encuentren en posición abierta las

válvulas control flujo caliente 1 y control flujo frío 1, las cuales regulan o

cierran por completo el flujo desde las tinas hacia el intercambiador de calor

de ambos circuitos de temperatura.

Paso 7: Recircule los fluidos de ambos circuitos. Poco antes de

alcanzar las temperaturas para ambos circuitos (inspeccionando en la


57

BTC-004-11 Ver. 1.0

carátula valor de entrada de la medición PV), se recomienda cerrar por

completo las válvulas control flujo caliente 1 y control flujo frío 1 (ver figura

3.30), y encender las bombas de ambos circuitos, con el objetivo de agitar o

remover los fluidos en las tinas y así uniformizar la temperatura en cualquier

punto del interior de las tinas. No olvide que el interruptor compresor e

interruptor para calefactores deberá, seguir en su posición de encendido.

Para concluir la obtención de las temperaturas deseadas, apague las

bombas, y permita que los calefactores y unidad de condensación terminen

de ajustar las temperaturas. Cuando esto suceda, automáticamente se

apagara la unidad de condensación y los calefactores, no apague con los

interruptores, ya que cuando se generé la práctica, el intercambio de

energía entre los fluidos modificará sus temperaturas y por tanto bajo las

posiciones de encendido en los interruptores, tanto la unidad de

condensación como los calefactores se ocuparan nuevamente de

restablecer los fluidos a las temperaturas programadas. Esto se sigue hasta

la conclusión de toda la práctica, en las N mediciones elegidas, no

importando si las mediciones no se lleguen a ajustar a lo establecido en los

controladores de temperatura.

IMPORTANTE: Para comenzar un nuevo paso, cierre las válvulas abiertas y

las que se encuentran cerradas ábralas, al siguiente paso corrobore el

porque.

Paso 8: Generar el intercambio de energía entre los dos fluidos. Ya

obtenidas las temperaturas, estamos listos para encender las bombas y

comenzar el intercambio de energía entre los fluidos de los dos circuitos de

temperatura, esto se realiza girando el interruptor bomba fluido caliente en

el tablero de control izquierdo y el interruptor bomba fluido frío en el tablero

de control derecho. Y ahora registre las temperaturas tomadas por los

termopares con los que cuenta el intercambiador de calor (véase Modulo de

medición de Temperatura).


58

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 3.30 Condición de las válvulas de control de flujo para recirculación en tinas.

3.7 MODULO DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA MMT

Con el fin de ampliar la capacidad del banco de prácticas de transferencia de

calor y facilitar las labores de investigación y desarrollo, se provee, un modulo

de medición digital de temperatura de 12 canales, marca COLE PARMER,

modelo de mesa. A continuación, se hará una breve descripción de los

controles para su puesta en operación. En la parte frontal del instrumento, se

encuentran colocadas las teclas de las diferentes funciones, divididas en 3

secciones: sección de ajuste, operación y memoria, ver figura 3.31.

Figura 3.31 Modulo de medición de temperatura MMT.

En la sección de ajuste, se encuentran localizadas dos teclas identificadas con

flecha arriba y flecha abajo, las cuales se utilizan para selección manual.


59

BTC-004-11 Ver. 1.0

En la sección de operación, existen cuatro teclas:

a) Alarma: Se usa para apagar el buzzer (zumbador) y borra el mensaje

de alarma cuando éste existe.

b) Hold: Proporciona un medio para almacenar las lecturas de temperatura

actual, de los 12 canales, al mismo tiempo.

c) Print: Sirve para imprimir la temperatura actual de todos los canales o

enviar información a la computadora a través de una salida RS-232

colocada en la parte posterior de medidor.

d) Scan: Sirve para salir del modo de inicialización y, además, para mostrar

secuencialmente las lecturas de cada canal durante 3 segundos.

En la sección de memoria, hay seis teclas:

a) Setup: Configura la operación del medidor para las necesidades

especificas, como tipo de termopar, escala de temperatura, tiempo entre

impresiones etc.

b) Store: Almacena las lecturas de temperatura para los 12 canales.

c) Peak: Exhibe el máximo valor para el canal seleccionado.

d) Valley: Exhibe el mínimo valor para el canal seleccionado.

e) Recall: Muestra la temperatura promedio de todas las lecturas

almacenadas en ese canal.

f) Clear: se usa para limpiar los valores guardados en la memoria.

Para la puesta en operación se deben seguir los siguientes pasos:

1. Asegúrese de que los termopares estén conectados correctamente y

que sean del mismo tipo.

2. Cerciórese de que el voltaje de alimentación que llega al MMT sea el

adecuado.

3. Coloque el interruptor de encendido en la posición ON; el interruptor se

encuentra en la parte posterior del instrumento.

4. El sistema, hará un pequeña auto prueba y, enseguida, procederá con

una operación normal de medición.


60

BTC-004-11 Ver. 1.0

5. Después de completar la inicialización, muchas cosas se harán

automáticamente. Por ejemplo, cada termopar es leído en un tiempo

determinado, tal como se ha seleccionado en el modo de inicialización.

Para efectos de trabajo con el intercambiador de calor el instrumento está

programado de la siguiente manera:

1. Registrará 8 de los 12 termopares que tiene capacidad.

2. El tipo de termopar es J.

3. Precisión en la lectura 0.1.

4. Buzzer OFF.

5. Alarma OFF.

6. Tiempo entre períodos sucesivos de lectura de los 10 canales: 20

segundos.

7. Ciclo de impresión: 20 segundos.

En el circuito de agua caliente se encuentran conectados los termopares TC2,

TC3, TC4 Y TC1 en orden de entrada hacia la salida del flujo del líquido

conectado a los respectivos canales del medidor de temperatura.

En el circuito de agua fría se encuentran conectados los termopares TC7, TC6,

TC5 Y TC8 en orden de entrada hacia la salida del flujo de líquido, conectados

a los respectivos canales del medidor de temperatura.

Como observará, la descripción detallada de las capacidades de este

instrumento resultaría muy larga, por lo que, para conocer su funcionamiento

completo y resolver cualquier problema en su programación, se adjunta al final

de este documento el anexo "B" el cual contiene toda la información

relacionada con ello.


61

BTC-004-11 Ver. 1.0

CAPÍTULO IV: PRÁCTICAS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE

TUBOS Y CORAZA DEL EQUIPO BTC

Vincular la teoría con la práctica es de suma importancia en el proceso de

entendimiento de conceptos y aprendizaje de un fenómeno dado, tal es el caso

del análisis de intercambiadores de calor de tubos y coraza. Cuyo análisis

experimental se llevará a cabo en el equipo Banco de Transferencia de Calor

(BTC), figura 4.1.

Para operar y tomar mediciones de temperatura y flujo en el banco de prácticas

de transferencia de calor, es fundamental que se tenga conocimiento teórico de

los fenómenos de transferencia de calor, medición de flujo e instrumentación.

Cada práctica tendrá un objetivo específico, encaminado hacia el mejor

aprendizaje y entendimiento del funcionamiento de un intercambiador de calor

de tubos y coraza.

Figura 4.1 Banco de prácticas de transferencia de calor, BTC.


62

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.1 PRÁCTICAS EN BTC

El equipo BTC, está equipado con un intercambiador de calor de tubos y

coraza, sobre el cual se elaborarán principalmente las prácticas para modelar

su comportamiento térmico. La primera de ellas será como aprender a operar el

banco y sus componentes.

El presente trabajo presenta 6 prácticas, denominadas en función de su

objetivo como:

Manejo del Banco de Transferencia de Calor.

Transferencia de energía térmica entre los fluidos.

Cálculo de la Diferencia Media Logarítmica.

Comparación del Coeficiente Global de Transferencia de Calor teórico y

el calculado con el BTC.

Cálculo de las Pérdidas de Calor Hacia los Alrededores.

Determinación de la Eficiencia del BTC.

Cada una de las prácticas tendrá la misma estructura, la cuál esta conformada

con los siguientes apartados:

1. Nombre de la práctica.

2. Objetivo.

3. Equipo y material necesario.

4. Conocimientos teóricos (temas del marco teórico).

5. Procedimiento y toma de datos

6. Cálculos.

7. Resultados y conclusiones.

En el apartado de conocimientos teóricos, se hará referencia a los temas del

marco teórico, desarrollados en el Capítulo II Intercambiadores de Calor de

Superficie. Por ejemplo para la práctica 3, Cálculo de la Diferencia Media

Logarítmica, temas 2.1 y 2.2. Sí es necesario se referenciarán conocimientos

de manejo de instrumentación, tales como medidores de flujo y termopares.


63

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.2. PRÁCTICA 1 MANEJO DEL BANCO DE PRÁCTICAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

OBJETIVO

Que el alumno conozca el funcionamiento del banco de prácticas de

transferencia de calor, así como la manipulación de sus dispositivos de control.

EQUIPO Y MATERIAL

Equipo BTC.

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS

Componentes del equipo BTC: Todos los temas contenidos en capítulo III, así

como lectura de presión en manómetros y flujo volumétrico en rotámetros.

PROCEDIMIENTO Y TOMA DE DATOS

1. Identifique las partes esenciales del banco de prácticas de transferencia de

calor; es decir, los componentes de los circuitos de alta y de baja

temperatura, tal como se enlistan a continuación:

a. Circuito de baja temperatura:

Tina de fluido frío

Unidad de condensación

Bomba de fluido frío

Tablero de control derecho

b. Circuito de alta temperatura:

Tablero de control izquierdo

Tina de fluido caliente

Bomba de fluido caliente

Rotámetro de fluido caliente


64

BTC-004-11 Ver. 1.0

2. Encienda el interruptor general, girándolo en sentido horario, verifique que

haya encendido la lámpara piloto de interruptor general, figura 4.2.

3. Oprima los botones energizadores, situados en el tablero de control

izquierdo y verifique su encendido permanente, ver figura 4.3.

Figura 4.2 Interruptor general, a) posición de apagado, b) posición de

encendido.

Figura 4.3 Botones de energizado.

4. Establezca y fije las temperaturas en los controladores Yokogawa (figura

4.4) con valores dentro de los intervalos siguientes:

a) Circuito de alta temperatura: 10 < T < 50 °C

b) Circuito de baja temperatura: 0 < T < 10 °C


65

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 4.4 Controlador de temperatura Yokogawa

5. Uniformice la temperatura de los fluidos en los dos circuitos de

temperatura. A C5 antes de alcanzar las temperaturas establecidas,

realice lo siguiente:

a) Cierre las válvulas control flujo caliente 1 y control flujo frío 1, (ver

figura 4.5 y 4.6)

b) Abra las válvulas control flujo caliente 2 y control flujo frío 2

c) Encienda las bombas, mediante sus interruptores (figura 4.7 y 4.8)

d) Deje recircular a los fluidos de ambos circuitos algunos segundos y

apague las bombas.

Figura 4.5 Válvulas de control flujo caliente 1 y 2.


66

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 4.6 Válvulas control de flujo frío 1 y 2.

6. Establezca flujos volumétricos para cada circuito. Mientras se ajustan las

temperaturas establecidas y se encuentran los fluidos en reposo, realice lo

siguiente:

a) Cierre las válvulas control flujo caliente 2 y control flujo frío 2.

b) Abra ligeramente las válvulas control flujo caliente 1 y control flujo frío

1.

c) Una vez alcanzado las temperaturas establecidas encienda las

bombas, mediante sus correspondientes interruptores (ver figuras 4.7

y 4.8) y mediante la indicación de los rotametros, abra o cierre las

válvulas hasta establecer los gastos deseados, ver figura 4.9.

Figura 4.7 Interruptor para bomba fluido frío.


67

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 4.8 Interruptor para bomba fluido caliente.

7. Registre en la tabla 4.1 los valores establecidos para el flujo volumétrico y

temperatura para los dos circuitos. También registre las mediciones

tomadas por los termopares, para ello, espere mínimo 5 minutos, mientras

las condiciones de operación se estabilizan. Las lecturas de las

temperaturas tomadas por los termopares se lleva acabo a través de el

módulo de medición de temperatura MMT (ver figura 4.9), se debe resaltar

sobretodo las mediciones de los canales 1, 2, 7 y 8, los cuales muestran el

valor medido por los termopares situados a la entrada y salida de los dos

fluidos en el intercambiador de calor; es decir, el canal 1 registra la

temperatura del flujo frío de entrada, el canal 2 la temperatura del flujo frío

a la salida, canal 7, temperatura de flujo caliente de salida y el canal 8, la

temperatura del flujo caliente a la entrada. De estas temperaturas, es

recomendable tomar nota de al menos 10 mediciones y mediante su

promedio (tabla 4.2) generar los cálculos necesarios, bajo lo que se

requiera del experimento (ver modulo de medición de temperatura MMT,

tema 3.7 y anexo A1). Registre también la temperatura ambiente

correspondiente a la hora de las mediciones.


68

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura 4.9 Módulo de medición de temperatura y rotámetros.

Tabla 4.1 Flujo volumétrico y temperatura en los circuitos de temperatura.

Parámetro Circuito Baja Temperatura Circuito Alta Temperatura

Flujo Volumétrico

Temperatura

Tabla 4.2 Temperaturas de entrada y salida de los flujos caliente y frío.

Canal Temperaturas Prom

1

2

7

8

Temperatura ambiente

8. Una vez realizado el experimento, apague adecuadamente todo el equipo

siguiendo los pasos siguientes:


69

BTC-004-11 Ver. 1.0

a) Apague las resistencias eléctricas, es decir, el interruptor para

calefactores, interruptor compresor, los interruptores para las

bombas.

b) Oprima los tres botones energizadores, para retirar la energía en los

dos circuitos de temperatura e inspeccione si se han apagado.

c) Finalmente gire el interruptor general a la posición de apagado,

verifique el apagado de la lámpara piloto de interruptor general y

desconecte el equipo de la corriente eléctrica.

d) Revise si no existió fuga de agua en el equipo, verificando si no hay

encharcamientos ni partes húmedas, de existir, consulte a un técnico.

RESULTADOS Y CONCLUSIONES: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


70

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.3 PRÁCTICA 2 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA ENTRE LOS FLUIDOS

OBJETIVO: Que el alumno constate la existencia de transferencia de energía

entre los fluidos que ingresan al intercambiador de calor, basándose en la

observación de la existencia de una diferencia de temperatura entre la entrada

y salida de los dos flujos.

EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO

Equipo BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS

Intercambiadores de calor de flujo paralelo y a contraflujo, el comportamiento

de la temperatura en su trayecto y los modos de transferencia de calor: Temas

2.1, 2.2 y 2.3.


1. Establezca y anote en la tabla 4.3 los valores del flujo volumétrico y

temperatura que se fijarán en los dos circuitos.

Tabla 4.3 Parámetros establecidos en los dos circuitos de temperatura.

Concepto Circuito Baja Temperatura Circuito Alta Temperatura

Flujo Volumétrico

Temperatura

2. Genere los pasos 1 a 8 del tema 3.6 PROCESO DE OPERACIÓN DEL

BTC.

3. Registre las mediciones de temperatura a la entrada y salida de cada flujo,

calcule su promedio y anote la temperatura ambiente en tabla 4.4.

4. de acuerdo a la figura 4.10 calcule el incremento de temperatura o en su

defecto, su decremento, en los fluidos, basándose en los valores promedio

registrados en la tabla 4.4 y responda lo siguiente:

¿Existe incremento de temperatura en el fluido frío?


71

BTC-004-11 Ver. 1.0

¿Existe disminución en la temperatura de algún fluido?

¿Cuál sería la razón por la cual no intercambiarían energía los flujos

dentro del intercambiador de calor.

¿Quién pierde y quien gana energía?

Figura 4.10 Comportamiento de la temperatura para los flujos en el

intercambiador.



1

2

7

8


CALCULOS:

ΔTf = __________ ΔTc = __________

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________


72

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.4 PRÁCTICA 3 CÁLCULO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA

OBJETIVO: Que el alumno calcule la diferencia de temperatura media

logarítmica para un intercambiador de calor del tipo tubos y coraza, operado a

contraflujo.

EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO:

Equipo BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS: Intercambiadores de calor de tubo y coraza,

método de la diferencia de temperatura media logarítmica, temas 2.2 y 2.9.


1. Establezca y anote en la tabla 4.5 los valores para el flujo volumétrico y

temperatura que se han de fijar en los dos circuitos.



Flujo Volumétrico

Temperatura


BTC.


calcule su promedio y registre la temperatura ambiente en tabla 4.6.

Tabla 4.6 Temperatura de entrada y salida de los flujos caliente y frío


1

2

7

8



73

BTC-004-11 Ver. 1.0

4. Con los valores promedio, calcule la diferencia de temperatura media

logarítmica mediante la ecuación 2.33. Para tener un mejor manejo de las

temperaturas de entrada y salida en el intercambiador de calor, revise la

figura 4.11.

2.33

Figura 4.11 Temperaturas en intercambiador de calor en flujo paralelo y a

contraflujo.

CALCULOS

ΔT1= __________

ΔT2= _______________


ΔTml,CF =

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________


74

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.5. PRÁCTICA 4 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

OBJETIVO: Que el alumno calcule el coeficiente de transferencia de calor

global a partir de la práctica y teóricamente, comparando ambos resultados y

deduciendo sus conclusiones, complementando de esta manera su

aprendizaje.

EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO: BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS: Modos de transferencia de calor,

Intercambiadores de calor, método de la diferencia de temperatura media

logarítmica, temas 2.1 a 2.9.






Flujo Volumétrico

Temperatura


BTC.


calcule su promedio y registre la temperatura ambiente (tabla 4.8).


75

BTC-004-11 Ver. 1.0



1

2

7

8


4. Con los valores promedio calcule las propiedades de los fluidos, tales como

densidad, viscosidad dinámica, calor específico, conductividad térmica, etc.

A partir de las propiedades calcule los coeficientes de convección mediante

las ecuaciones 2.15 y 2.19 para el coeficiente interior y el exterior a los

tubos respectivamente, y por ultimo el coeficiente de transferencia de calor

total, mediante la ecuación 2.38 (tabla 4.11a).

5. Determine la transferencia de calor utilizando el principio de conservación

de la energía tomando como volumen de control el flujo caliente que

atraviesa al intercambiador.

6. Con la transferencia de calor calculada, mediante la ecuación 2.37, calcule

U, (tabla 4.11b)

CÁLCULOS

Tabla 4.9 Parámetros para calcular el coeficiente de convección interior.

k

CpPr

iVDRe

i

i

A

GV

4

2

ii

DA

4.08.0 PrRe023.0fi

ii

k

Dh

Pr =

Re =

V =

Ai=

hi =

Tabla 4.10 Parámetros para calcular el coeficiente de convección exterior.

s

fe

a

mGs

T

Ss

P

CBDa

De =

Gs =

as =

he =


76

BTC-004-11 Ver. 1.0


Tabla 4.11 coeficiente de transferencia de calor total.

b FTA

QU

CFmls ,

U = U=

CONCLUSIONES:_____________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________


77

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.6 PRÁCTICA 5 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA

OBJETIVO: Que el alumno calcule las pérdidas que se presentan durante el

intercambio de energía en el intercambiador de calor, basándose en la primera

ley de la termodinámica.


Equipo BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS: Primera y segunda ley de la termodinámica





BTC.



Flujo Volumétrico

Temperatura





1

2

7

8



78

BTC-004-11 Ver. 1.0

4. Con los valores promedio de temperaturas de entrada y salida, tabla 4.13,

calcule las entalpías de entrada y salida de los fluidos.

5. Bajo el principio de conservación de la energía calcule la energía pérdida y

ganada por cada flujo, tabla 4.14 (ver figura 4.12).

6. Calcule por último la pérdida de energía hacia los alrededores.

Figura 14.12 Volúmenes de control para los flujos.

CALCULOS

Tabla 4.14 Cambio de energía de cada fluido.

Flujo del circuito de alta temperatura Flujo del circuito de baja temperatura

cQ fQ


79

BTC-004-11 Ver. 1.0


ENERGÍA PÉRDIDA: _____________fc QQ

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________


80

BTC-004-11 Ver. 1.0

4.7 PRÁCTICA 6 EFICIENCIA DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA

OBJETIVO: Que el alumno calcule la eficiencia con la que opera un

intercambiador de calor a partir de la objetividad que tenga este, ya sea para

enfriar o calentar uno de los fluidos.


Equipo BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS: Primera y segunda ley de la termodinámica.






Flujo Volumétrico

Temperatura


BTC.





1

2

7

8



81

BTC-004-11 Ver. 1.0

5. Tomando las temperaturas promedio de la tabla 4.16 para las temperaturas

de entrada y salida de los fluidos que atraviesan al intercambiador de calor,

calcule la energía liberada por el flujo de agua caliente y la ganada por el

flujo de agua fría, tabla 4.17.

6. De acuerdo al objetivo por el cual es utilizado el intercambiador de calor,

puede determinar la eficiencia con la que este está operando, tabla 4.18.

CALCULOS

Tabla 4.17 Cambio de energía en cada flujo.

Flujo del circuito de alta temperatura Flujo del circuito de baja temperatura

hcsmin es la entalpía del fluido caliente a

la salida del intercambiador, a

temperatura de entrada del fluido frío.

hfsmax es la entalpía del fluido frío a la

salida del intercambiador, a temperatura

de entrada del fluido caliente.

cQ fQ

maxcQ maxfQ


Tabla 4.18 Calculo de la eficiencia en el intercambiador de calor.

OBJETIVO: ENFRIAR OBJETIVO: CALENTAR

Donde

c f

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_______________


82

BTC-004-11 Ver. 1.0

CONCLUSIONES

Con este manual se obtuvo un conjunto de prácticas destinadas a la formación

del estudiante en el área de transferencia de calor. Tales prácticas se

diseñaron de acuerdo a los alcances y limitaciones del equipo Banco de

Transferencia de Calor (BTC), obteniendo como resultado una herramienta

complementaria para el desarrollo integral del alumno.

Este manual logra contribuir ampliamente con los conocimientos sobre

intercambiadores de calor, especialmente con los del tipo tubos y coraza.

Así mismo se presentó un desarrollo teórico y una metodología de operación

del equipo. Con ello se deja la apertura al diseño de nuevas prácticas, gracias

a que el BTC es una herramienta versátil, capaz de registrar temperaturas de

diferentes puntos del intercambiador y permite el manejo de un amplio espectro

de variabilidad de flujos.

Las prácticas realizadas, así como cualesquiera se desee diseñar a partir del

BPTC, debe realizarse bajo los parámetros tratados en este manual; es decir,

cumplir con todos y cada uno de los objetivos especificados.


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BTC-004-11 Ver. 1.0

ANEXOS


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BTC-004-11 Ver. 1.0

ANEXO A: FUNCIONES DE LOS COMPONENTES DE BTC

COMPONENTE FUNCIONALIDAD

Tablero de control

derecho

Permite al usuario del BTC : - Suministrar energía eléctrica a todo el equipo - Fijar la temperatura deseada en el fluido frío - Poner en marcha a la unidad de condensación - Poner en marcha el flujo de fluido frío

Tablero de control

izquierdo

Permite al usuario del BTC : - Una vez energizado el equipo, permite suministrar energía eléctrica

a los dos tableros mediante los botones de energizado - Fijar la temperatura deseada en fluido caliente - Poner en marcha el flujo de fluido caliente

Interruptor General

Energiza a todo el banco de prácticas de transferencia de calor, al ser girado hacia la izquierda.

Lámpara piloto

En el BTC se cuenta con 5 lámparas piloto: - De interruptor general: Su encendido indica que el equipo se

encuentra energizado en su totalidad. - De la bomba fluido frío: Su encendido indica que la bomba que

imprime presión al fluido frío está en operación. - Del Compresor: Su encendido indica que el compresor está en

operación. - De la bomba fluido caliente: Su encendido indica que la bomba que

imprime presión al fluido caliente está en operación. - Para calefactores: su encendido indica que los calefactores

responsables de elevar la temperatura del fluido caliente se encuentran en operación.

Botones

energizadores

Estos tres botones son: - Botón de energía para control. - Botón energizador para control en circuito de baja temperatura:

Brinda energía al circuito de baja temperatura. - Botón energizador para control en circuito de alta temperatura:

Brinda energía al circuito de alta temperatura.

Interruptor

El BTC cuenta con cuatro interruptores: Estos solo funcionan si se a energizado el circuito en el que se encuentran instalados, dando las siguientes funciones: - Interruptor bomba fluido frío: Enciende o apaga a la bomba que

imprime presión en el circuito de baja temperatura. - Interruptor compresor: Enciende o apaga a la unidad de

condensación. - Interruptor bomba fluido caliente: Enciende o apaga a la bomba que

imprime presión en el circuito de alta temperatura. - Interruptor para calefactores: Encienden o apagan las resistencias

situadas en la tina de fluido caliente, destinadas a elevar su temperatura a una preestablecida.


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BTC-004-11 Ver. 1.0


Bomba

El BTC cuenta con dos bombas: - Bomba fluido caliente: Destinada a imprimir presión estática al fluido

caliente, por tanto es la bomba perteneciente al circuito de alta temperatura.

- Bomba fluido frío: Destinada a imprimir presión estática al fluido frío, por tanto es la bomba perteneciente al circuito de baja temperatura.

Unidad de

condensación

La unidad de condensación nos sirve para refrigerar, es decir, transferir energía de una región de baja temperatura a una región de alta temperatura, con motivo de bajar la temperatura del fluido situado en la tina de fluido frío.

Tina de fluido

El BTC Cuenta con dos tinas de fluido: - Tina de fluido caliente: Esta tina está instalada en el circuito de alta

temperatura y en ella se encuentran las resistencias eléctricas que elevarán la temperatura del fluido contenido.

- Tina de fluido frío: Aquí se encuentran las bobinas del evaporador. Dentro de este depósito se encuentra el fluido del cual se extraerá energía mediante la unidad de condensación para hacer descender su temperatura.

Rotámetro

El BTC cuenta con dos rotámetros: - Rotámetro para fluido caliente - Rotámetro para fluido frío

Ambos instrumentos son para medir flujo volumétrico, cuentan con dos escalas graduadas cada uno, miden el gasto en galones por minuto en una escala o litros por minuto en la otra, dependiendo de la escala graduada que se considere en la medición.

Llaves de control de

flujo

El BTC está dispuesto con 4 válvulas de paso: - Válvula control flujo caliente 1: Regula el gasto de fluido en el

circuito de alta temperatura, el cual será medido directamente por el rotámetro y pasará al intercambiador de calor.

- Válvula control flujo frío 1: Regula el gasto de fluido en el circuito de baja temperatura, el cual será medido directamente por el rotámetro y pasará al intercambiador de calor.

- Válvula control flujo caliente 2: permite recircular el fluido bombeado hacia la tina que lo contenía, con el fin de remover el fluido contenido en esta y uniformizar la temperatura en cualquier punto, en el circuito de alta temperatura.

- Válvula control flujo frío 2: permite recircular el fluido bombeado hacia la tina que lo contenía, con el fin de remover el fluido contenido en esta y uniformizar la temperatura en cualquier punto, en el circuito de baja temperatura.

Controlador de Temperatura

El BTC cuenta con dos controladores de temperatura UT350, uno en cada tablero de control. Mediante ellos se establece y fija las temperaturas deseadas en las tinas que contienen a los fluidos que han de intercambiar energía a su paso por el intercambiador de calor.


86

BTC-004-11 Ver. 1.0


Valor de entrada de la

medición

Muestra el valor de entrada (PV) durante la operación, muestra el símbolo del parámetro o los parámetros de selección, muestra el código de error si este ocurre. En esta carátula, se muestra la temperatura que posee el fluido en la tina que lo contiene.

Lámpara indicadora del punto de control

Cuando el número del SP es 2, 3 o 4 se encenderá su lámpara respectiva, en caso de ser el SP el número 1 la lámpara no se encenderá.

Punto de control (SP)

Muestra el valor del punto de control (SP) o el valor de salida (OUT) durante la operación. Muestra los valores de los parámetros de selección.

Lámpara indicadora

del modo manual

Se enciende únicamente cuando se encuentra en modo de operación manual, y parpadea durante la programación.

Teclas para cambio

de datos

Cambia el SP seleccionado o selecciona los parámetros. Cambia el valor de la salida durante el modo manual. El panel muestra las teclas de incremento y la de decremento del valor. Al mantener presionada la tecla de incremento el valor aumenta gradualmente.

Lámpara indicadora del numero alarma

Cuando ocurre una alarma 1, 2 o 3 se encenderán las lámparas respectivas a cada alarma.

Tecla de selección

manual o automático

Cambia del modo de operación automática al manual cuando se presiona esta tecla durante la operación.

Tecla para entrada de

datos y selección

El valor de los registros cambia usando esta tecla, cambia la operación y los parámetros de programación. Cuando se mantiene presionada por 3 segundos, cambia la exhibición de la operación por la configuración de los parámetros.


87

BTC-004-11 Ver. 1.0

ANEXO B: EJEMPLO DE ANÁLISIS DEL INTERCABIADOR DE TUBOS Y

CORAZA

OBJETIVO: Calcular la transferencia de energía en el intercambiador de calor,

en el que fluyen fluidos con gastos y temperaturas de entrada establecidos

EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO: BTC

CONOCIMIENTOS TEÓRICOS: Modos de transferencia de calor,

Intercambiadores de calor, método de la diferencia de temperatura media

logarítmica, temas 2.1 a 2.9.


7. Establezca en la tabla B1 el flujo volumétrico y temperatura que se han de

fijar en los dos circuitos.

Tabla B1 Valor de los parámetros establecidos en los dos circuitos de

temperatura.


Flujo volumétrico 30 15

Temperatura 17 45


BTC.

9. Registre sus mediciones (se recomienda 10 mediciones como mínimo),

calcule su promedio y registre la temperatura ambiente (tabla B2).

Tabla B2 Temperaturas de entrada y salida de los flujos caliente y frío.


1 18.7 18.7 18.8 19.0 19.0 19.1 19.2 19.3 19.5 19.5 19.08

2 21.3 21.3 21.3 21.5 21.5 21.6 21.8 21.8 22.0 22.1 21.62

7 33.7 33.8 33.8 33.8 33.9 34.0 34.1 34.1 34.2 34.2 33.96

8 45.1 45.2 45.0 45.0 45.1 45.2 45.3 45.3 45.3 45.1 45.16

Temperatura ambiente 19.00


88

BTC-004-11 Ver. 1.0

10. Con los valores promedio calcule las propiedades de los fluidos, tales como

densidad, viscosidad dinámica, calor específico, conductividad térmica, etc.

Puede bien obtener el valor de las propiedades con el uso del programa

Transferencia de calor en intercambiador de tubos y coraza (PTCITC,

Programa Excel anexo a este manual), tal como se presentan en la tabla B3

para las propiedades del fluido frío y tabla B4 para las propiedades del

fluido caliente.

TABLA B3 Estimación de las propiedades del fluido frío obtenidas por el

PTCITC

Entrada Salida Promedio Viscosidad Densidad cp k

Af Ac Af Ac Af Ac Af Af Af Af

19.08 45.16 21.62 33.90 20.35 39.53 0.000999 998.28551 4182.1812 0.59879

Tabla B4 Estimación de las propiedades del fluido caliente obtenidas por el

PTCITC

Entrada

Salida

Promedio

Viscosidad

Densidad

cp

K

Af Ac Af Ac Af Ac Ac Ac Ac Ac

19.08 45.16 21.62 33.90 20.35 39.53 0.000661 992.8787 4178.74 0.62982

5. Considere las condiciones de los flujos antes establecidas y la forma en

como los flujos atraviesan al intercambiador de calor de tubos y coraza,

(figura B1) luego depuse, calcule la transferencia de calor con las relaciones

correspondientes y respetando el sistema de unidades, tabla B5.


89

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura B1 Manera en como los flujos entran y salen del intercambiador de

calor.


90

BTC-004-11 Ver. 1.0

Tabla B5 Cálculo de los parámetros que definen la transferencia de calor

PARÁMETRO CALCULO

4

2

ii

DA Ai= 3.3653x10

-4 m

2

min30

lG f Gf =5x10

-4 m

3/s

Nt

GG f

tf / Gf / t =2.5x10-4

m3/s

i

tf

fA

GV

/ Vf = 0.7428 m/s

k

C pPr Pr=6.9768

iVDRe Re=15366.3

CmW.hi

2073234

De=0.15107 m

Pt

CBDa s

s as =4.511x103 m

2

min15

lGc

Gc = 2.5x10-4

m3/s


91

BTC-004-11 Ver. 1.0

PARÁMETRO CALCULO

Gmc skgmc /24822.0

s

c

a

mGs

Gs=55.0255 kg/m

2 ·s

k

CpPr Pr=4.386

CmWhe

22878.3002

CmWU 2747.1608

LDA is 4 As=0.16167 m2

ETEC

ETSTp

TT

TTZ Zp=0.1713

ETST

SCSC

TT

TTY Y=4.433

F F=0.975

ΔTml = 18.845 ºC


92

BTC-004-11 Ver. 1.0

ANEXO C: CONTROLADORES DE TEMPERATURA Y USO DEL

SOFTWARE

La necesidad de tener un instrumento virtual que ayude a los maestros y

alumnos del Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos a la comprensión y

manejo de sistemas de control el cual pueda realizar cambios y monitorear las

mediciones que realiza un controlador de temperatura; es la finalidad de

diseñar y desarrollar un software para el Banco de Transferencia de Calor.

El banco de transferencia de calor cuenta con una interfase a la computadora

personal donde se hace el monitoreo en tiempo real del proceso de

temperatura, tanto de los controladores como del medidor de temperatura de

12 canales.

Las características mencionadas proveen al equipo de una gran versatilidad,

pudiendo utilizarse en los sistemas educativos de nivel medio superior,

licenciatura y postgrado. En el primer caso, se puede utilizar, para que el

alumno compruebe sus cálculos de manera experimental.

El programa llamado “BTC” está elaborado con el software de LabVIEW® en el

cual se representan de manera virtual los controladores de temperatura a los

cuales se le han agregado una gráfica para observar mejor los cambios de

temperatura.

INSTALACIÓN DEL SOFTWARE Para la instalación del software es necesario seguir los siguientes pasos:

Requerimientos del sistema

1. Computadora Pentium con espacio disponible en disco de 1MB.

2. Puerto serial, entrada USB


93

BTC-004-11 Ver. 1.0

3. Cable para comunicación serial DB9 a DB25

4. 2 cables seriales DB9

5. Cable convertidor de serial a USB

6. Memoria RAM de 128M

7. Monitor con resolución de 1024x765

8. Sistema operativo Windows 2000 o Windows Xp

Procedimiento de Instalación

A continuación se muestra el procedimiento de instalación del software

1. Dar doble click en el icono de que se encuentra en la carpeta

de para empezar la instalación, figura C1

Figura C1 Pantalla de inicio de instalación

2. En la figura C2 se muestra el destino donde se almacenara el

software de trabajo, viene ya especificado un destino por default, este

no debe de ser cambiado ya que de otra forma no permite la

instalación; posteriormente de click en Next.


94

BTC-004-11 Ver. 1.0

3. En la pantalla que se muestra en la figura C3 se indica que ya está

listo para iniciar la instalación, por lo que es necesario que se le click

en el botón de Next.

Recuerde que es necesario que tenga espacio disponible para la

instalación y que no se haya cambiado el directorio de instalación.

Figura C2 Destino del programa.


95

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C3 Continuación de la instalación.

4. A continuación se empezará a instalar el software en la máquina

como se muestra en la figura C4.

Figura C4 Inicio de instalación.


96

BTC-004-11 Ver. 1.0

5. Al terminar la instalación se muestra la pantalla ver figura C5;

posteriormente se podrá ejecutar el programa desde el menú inicio y

eligiendo el programa de monitor como se muestra en la figura C6.

Figura C5 Fin de instalación.

Figura C1 Selección del programa

MODO DE TRABAJO Para trabajar en el equipo BPTC es necesario operar y conocer cada uno de

los sistemas que permiten al usuario interactuar con el software e

instrumentación de equipo:

Pantalla de usuario El panel de control del usuario se muestra en la figura C7, esta pantalla es

la que trabajara el programa de manejo de datos en el ambiente grafico de

LabVIEW®


97

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C7 Pantalla de trabajo.

A continuación se describirán las partes que componen la pantalla y su

modo de operación, en la figura C8 se muestran los controladores de

temperatura, donde el controlador 1 es donde está la calefacción y el

controlador 2 es la de enfriamiento.

Figura C2: Controlador para Calefactor y para Enfriamiento.


98

BTC-004-11 Ver. 1.0

En la figura C9 se muestra el modo en que se desea que trabaje la

salida del controlador que son automático y manual, el modo automático

activará la salida si el valor de la temperatura actual es menor al valor

indicado en el Punto de control, respetando el valor de la histéresis que

se haya dado en la salida, el modo manual permite controlar el

porcentaje (%) de salida independientemente del valor del Punto de

Control con respecto a la lectura actual.

Figura C9 Selección del modo de operación manual o automático.

En la figura C10 se observa el selector, el cual nos permite leer el valor

de los diferentes parámetros a mostrar como pueden ser el Punto de

control (Set Point), las Alarmas, y el valor de la temperatura que está

leyendo actualmente el controlador, esté se muestra de dos formas, con

un termómetro y con un indicador digital, ubicado dentro de la imagen

del controlador a un lado de éste se indica si la lectura esta en grados

Centígrados o Fahrenheit.


99

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C10 Pantalla de trabajo para seleccionar los datos a observar.

En la figura C11 se observa la selección de escritura donde se elige el

parámetro a modificar: el tipo de entrada, este puede ser termopar; RTD,

o señal de voltaje analógico, también en esta parte se elige el valor del

Punto de Control que se va a manejar durante el proceso, este valor

puede ser tanto positivo como negativo; y finalmente se muestran las

alarmas, aquí solo se puede escribir de una por una. Es importante que

se seleccionen primero lo que se desea cambiar y se ponga el valor y

después presionar el botón de escritura.

En la figura C12 se observa la pantalla de la gráfica de temperatura,

donde se muestran los datos que se van obteniendo, en la gráfica se

muestran las líneas correspondientes al Punto de Control, a la alarma 1

y a los datos adquiridos, así como un LED indicador que se encenderá

en el momento en que el valor de medición sobrepase el valor de la

alarma seleccionada.


100

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C11 Pantalla de trabajo para escribir datos de variables a modificar.

La gráfica tiene la opción de que se podrán ir recorriendo los datos de

acuerdo al número de lecturas que se vayan haciendo, de tal forma que

con la barra que se encuentra en la parte inferior de la gráfica nos

permitirá movernos a través de la misma y poder hacer las

observaciones correspondientes.

Figura C12 Pantalla de la gráfica de temperatura.


101

BTC-004-11 Ver. 1.0

Conexión del controlador con la computadora

Para conectar el controlador de temperatura con la computadora se debe de

conectar el cable de comunicación al puerto serial de la misma y desde la

carátula de la estación didáctica de control de temperatura en el conector

serial (ver figura C13), esto debe de realizarse antes de iniciar el programa

“Monitor” ya que al ejecutarse el programa este inicia automáticamente y

marcaría un error de comunicación, y este solo se puede corregir

conectándose el cable o presionando CRTL ALT DEL y en el administrador

de tareas dar finalizar tarea.

Nota: el cable de comunicación únicamente es la conexión de cada una de

las terminales del DB09 a otro DB9, uniendo del pin 1 al pin 1 de cada DB9

y así sucesivamente; en la Estación Didáctica se hace la conexión de

manera interna para que se pueda establecer la comunicación entre la

Estación y la computadora (ver manual de operación).

Figura C13 Estación Didáctica de Control de Temperatura.


102

BTC-004-11 Ver. 1.0

Archivos de trabajo.

Para que el programa funcione se deben de tener cargados a la

computadora los archivos mostrados en tabla C1, primeramente se debe de

instalar el programa de Install.exe y se instalaran los archivos de trabajo,

en un directorio específico.

Se instalaran los archivos necesarios de trabajo:

Tabla C1 Descripción de los archivos.

ICONO ARCHIVO DESCRIPCION

Install.exe

1. Programa para instalar el Software

data.zip

2. Aquí se almacenan los archivos para que funcione el programa

Setup.dat

3. Programa de configuración

Monitorykut.

vi

4. Programa de trabajo principal

Alarmas.vi 5. SubVI con el programa de alarmas

Entrada.vi 6. SubVI para elegir el tipo de entrada

Punto de

control.vi

7. SubVI para el escribir el Punto de control

Manual.vi

8. SubVI para cambiar de modo automático a manual

Graf.vi 9. SubVI para la gráfica de los datos

Lecturatodo.

vi

10. Lectura de los datos del Punto de control, las 3 alarmas y las 3 histéresis así como los valores de PID.


103

BTC-004-11 Ver. 1.0

Programa ScanLink (figura C14) para el medidor de temperatura de 12

canales Instalación:

Figura C14 Programa ScanLink

Cuando se inicia el programa se muestra el cuadro de dialogo mostrado

en la figura C15, debemos escoger auto-detect para que detecte el

medidor de 12 canales. En caso de no detectar el controlador verificar

que el cable este bien conectado y en que puerto se encuentra

conectado el cable USB, ya que puede ser COM3 o COM4.

Una vez que se establece la comunicación se muestran los canales de

temperatura que están habilitados, y las temperaturas actuales (figura

C16).

Figura C15 Cuadro de dialogo


104

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C16 Canales de temperaturas habilitados.

Para almacenar los datos en un archivo de tipo texto, se entra al menú

file y se escoge el comando Capture Data as..., (figura C17) el cual abre

un cuadro de dialogo en el cual ponemos el nombre del archivo en

donde se almacenarán las mediciones de temperatura de los 8

termopares ubicados en el Banco de Transferencia de Calor

Figura C17 Seguimiento del proceso para almacenar los datos

Para definir el tiempo de muestreo es necesario entrar al menú file y el

comando options, se mostrará el cuadro de dialogo mostrado en la figura

C18.


105

BTC-004-11 Ver. 1.0

Figura C18 Cuadro de diálogo Options.

En esta parte podremos elegir el periodo de tiempo para la adquisición

de datos. Cuando ya se quiere salir, únicamente vamos al menú File y le

damos Exit, nos preguntara si deseamos guardar los cambios y le

decimos que sí, nos abrirá un cuadro de dialogo donde nos muestra

donde se guardara el reporte y el nombre que deseemos.

Los datos que están en el archivo de Tipo texto se pueden abrir con el

Excel para poder graficar las mediciones y observar mejor los cambios

de temperatura.


106

BTC-004-11 Ver. 1.0

BIBLIOGRAFÍA

1. Yunus Cengel, Michael A. Boles, Termodinámica, Quinta edición, edit.

Mc Graw Hill.

2. Antonio Valiente Barderas, Problemas de transferencia de calor, edit.

LIMUSA.

3. Yunus Cengel, Transferencia de calor, Segunda edición, edit. Mc Graw

Hill.


107

BTC-004-11 Ver. 1.0

CREDITOS

Documento elaborado en el Centro Regional de Optimización y Desarrollo de

Equipo

(CRODE CELAYA)

Actualización: Noviembre de 2011

ELABORACIÓN

Ing. Omar Millán Apud

M.C. Juan Manuel Barrera

Edición

Ing. Enrique Lara Cartas

Nota 1: Se autoriza la reproducción total o parcial de esta obra siempre y cuando se haga

referencia a las fuentes involucradas.

Nota 2: Este manual es susceptible de enriquecerse, siendo de gran valor las aportaciones que

para ello se hagan.

CRODE-CELAYA. Diego Arenas Guzmán 901. Zona de Oro I. CP 38020. Celaya, Gto. México. Tel: 461-61468-67: 461-61484-54 Fax: 461-61476-38

E mail: [email protected] Página web: www.crodecelaya.edu.mx

mailto:[email protected]

http://www.crodecelaya.edu.mx/

Documents

Manual Operación BTC 2000