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Metodo de temperatura media logaritmica y E-NUT.
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Tarea #3 Transferencia de Calor
Tercer Corte
Presentado por:
Katrin Pérez Giraldo
Rafael Marrugo Mendoza
Presentado a:
Eduardo Sánchez Tuirán.
Asignatura:
Transferencia de Calor.
Fecha de entrega:
04 de Junio de 2015
Séptimo semestre
Programa de Ingeniería Química – Facultad de Ingeniería.
Universidad de Cartagena
Cartagena de Indias D.T. y C.
1. En la operación de un intercambiador de calor de tubos concéntricos se hace pasar vapor
de agua que condensa a una presión de 1.5 atm por un tubo exterior. En este tipo de operaciones se ha encontrado que el coeficiente global de transferencia de calor «U» tiene
un valor típico de 3 kW/m2K.
Por el tubo interno fluye aceite de motor con un flujo másico de 5 kg/s a una temperatura de
25 °C. Se espera que la diferencia de temperatura alcanzada por el aceite en el intercambiador sea de 60 °C.
Determine la longitud del intercambiador necesario si a nivel comercial se cuenta
con tuberías de 1, 1.5, 1.75 y 2 pulgadas de diámetro (para el tubo interior).
Elabore un diagrama en el que muestre el perfil de temperaturas de los fluidos como
función de la posición axial en el intercambiador. Realice un análisis detallado del
diagrama.
Elabore una gráfica en la que muestre la longitud del intercambiador como una
función de la temperatura de salida del aceite de motor. Considere que la
temperatura del aceite será siempre de 25 ℃ y que el vapor que condensa en el tubo
externo está a una presión de 1.5 atm. Realice un análisis detallado de la gráfica
obtenida.
¿Cuál es el flujo de vapor de agua necesario para realizar esta operación?
¿Cuál es el efecto que tiene la presión del vapor que condensa sobre la longitud del
intercambiador? Sustente su respuesta con una gráfica que muestre la longitud del
intercambiador como una función de la presión del vapor.
Información conocida:
Presión de condensación del agua 1.5 atm
Coeficiente global de Transf. De Calor, U. 3 kW/ ∙K = 3000 W/ ∙K
Flujo másico del aceite de motor, 5 kg/s
Temperatura de entrada del aceite, 25°C
Diferencia de temperatura del aceite, ∆T 60°C
Con el esquema que presenta este intercambiador, podemos conocer la dirección de flujo,
ya que como se observa las entradas de los fluidos se presentan por extremos diferentes, es
decir que se presenta en contraflujo.
Calcular: Para realizar los respectivos cálculos a desarrollar en cada de uno de los incisos,
es importante calcular previamente la temperatura de salida del aceite y la temperatura del
vapor de agua de acuerdo a la presión que este presenta. También es necesario conocer la
respectiva entalpia de vaporización de dicho fluido y las propiedades como la capacidad
calorífica de cada fluido.
Consideraciones:
Estado estacionario
Propiedades constantes
Perdida de calor a los alrededores y cambios de energía cinética y potencial
insignificantes.
Resistencia térmica de la pared del tubo y efectos de impureza insignificantes.
Inicialmente, calculamos la temperatura de salida del aceite, conociendo la diferencia de
temperatura del mismo:
En este caso haremos uso del apéndice 4 de las Propiedades termofísicas presentadas en el
libro de “Fundamentos de Transferencia de calor”. Cuarta edición. Frank P. Incropera &
David P. DeWitt. School of Mechanical Engineering, Purdue University.
Para buscar la capacidad calorífica necesitaremos la temperatura de película o temperatura
promedio:
Debido a que a esta temperatura no encontramos un valor preciso en las tablas, haremos uso
de una interpolación lineal:
( )
Para calcular la entalpía de vaporización, es necesario conocer la temperatura a la cual se
condensa el vapor. A partir de las tablas de Propiedades termofisicas y de la presión
proporcionada en el ejercicio (1.5 atm) calculamos la temperatura:
1 atm= 1.02325 bar
1.5 atm =1,5198 bar
( )
Para este caso, tendremos en cuenta que la temperatura a la cual se consenda el vapor
permanece constante en todo el proceso, es decir que la temperatura de entrada y de salida
del vapor es:
Y con el uso de esta temperatura, calculamos la entalpía de vaporización a esta
temperatura:
( ) 2225.7928 kJ/kg
J/kg
Temperatura (K) Capacidad Calorífica (J/kg K)
320 1993
328
330 2035
Temperatura (K) Presión (bar)
380 1.2869
1.5198
385 1.5233
Temperatura (K) Entalpia de vaporización
(kJ/kg)
380 2239
384.926
385 2225
Para obtener el delta de temperatura deseado (60°C), calculamos la transferencia de calor
requerida a partir de un balance global de energía para el caso del aceite de motor, de la
siguiente manera:
( )
Para el cálculo de la temperatura media logarítmica, es necesario definir los dos terminales
implicados en este proceso. Teniendo en cuenta que nuestro intercambiador de calor opera
en contraflujo, sabemos que los terminales están definidos por:
Teniendo en cuenta que: y
y
Procedemos a calcular la temperatura media logarítmica, con los terminales 1 y 2 hallados:
(
)
( )
Para calcular la longitud del intercambiador que cumpla con las condiciones de
salida especificadas, utilizamos la siguiente ecuación teniendo en cuenta que
A= y despejamos L:
A continuación detallaremos los datos obtenidos para cada uno de los diámetros de tuberías
con que se cuenta, aplicando la fórmula obtenida anteriormente para el cálculo de la
longitud:
Diámetro
Longitud (metros) Pulgadas Metros
1 0.0254 49.78
1.5 0.0381 33.2
1.75 0.0444 28.45
2 0.0508 24.9
Para observar de manera más directa la relación existente entre estas dos varibles,
presentamos la siguiente gráfica:
0
10
20
30
40
50
60
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Lon
gitu
d
Diámetro
Longitud vs Diametro
Grafica No. 1 Variación de la longitud con respecto al diámetro.
Lo que podemos observar es que a medida que aumenta el diámetro de la tubería utilizada,
la longitud de nuestro intercambiador será menor, ya que con el diámetro mayor podemos
alcanzar la temperatura a la cual deseamos que salga el aceite en una menor longitud, lo
cual puede contarse como un beneficio económico en el diseño de un intercambiador, ya
que cumple con los requerimientos que necesitamos.
Elabore un diagrama en el que muestre el perfil de temperaturas de los fluidos como
función de la posición axial en el intercambiador. Realice un análisis detallado del
diagrama
Para elaborar los perfiles de temperatura en función de la posición axial, tendremos en
cuenta la variación que esta presenta con respecto a la longitud del intercambiador. Es
importante resaltar que para la temperatura de salida del aceite (85°C) cada diámetro
presentado en el inciso anterior, nos arrojará un resultado diferente para la longitud. En
este caso partimos de que para que se cumpla esta temperatura de salida, las longitudes
iniciales, serán las que calculamos anteriormente, es decir:
Longitud 1 (m) 49,78
Longitud 2 (m) 33,19
Longitud 3 (m) 28,45
Longitud 4 (m) 24,89
Partiendo de estas longitudes iniciales, a través de la variación de la posición axial
(diferentes longitudes), calcularemos las distintas temperaturas de salida que puede
obtener el aceite, haciendo un barrido por debajo de la temperatura a la que sale este.
Para el cálculo de la temperatura de salida del aceite, tendremos en cuenta que la
temperatura del vapor condensado permanece constante y utilizaremos la siguiente
ecuación:
( )
[(
( )) ]
Recordando que . A partir de esta ecuación procedemos a calcular las distintas
temperaturas de salida del aceite para las diferentes longitudes seleccionadas
aleatoriamente. Para cada temperatura va enlazada sus respectivas longitudes, teniendo en
cuenta los 4 diámetros presentados anteriormente:
Longitud 1 (m)
Tc,1 Longitud
2 (m) Tc,2
Longitud 3 (m)
Tc,3 Longitud
4 (m) Tc,4 Th aceite(°C)
50 85 33 85 28 85 25 85 112
45 82 30 82 24 80 20 78 112
40 78 27 78 20 74 17 73 112
35 74 24 75 16 67 14 67 112
30 69 21 71 12 59 11 60 112
25 64 18 66 8 49 9 55 112
20 58 15 61 4 38 7 49 112
15 51 12 55 2 32 5 43 112
10 43 9 49 1 29 3 36 112
5 35 3 34 2 32 1 29 112
0 25 0 25 0 25 0 25 112
El perfil de temperaturas con respecto a la posición axial se ve reflejado en la siguiente
gráfica:
Grafica No. 2 Variación de la temperatura con respecto a la posición axial.
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60
Tem
per
atu
ra (
°C)
Posicion axial (m)
Perfil de temperatura vs Posición axial
Tc1 Tc2 Tc3 Tc4 Tagua
En este análisis podemos reafirmar y corroborar lo que establecimos en la primera gráfica y
a partir de esto, vemos que con el diámetro más pequeño se obtienen las menores
temperaturas pero con una longitud mayor como ya lo habíamos inferido. De esta manera
vemos que temperaturas más altas se registran en cuando se utiliza el diámetro y la longitud
son mayores, todos hasta que alcanzan la temperatura de salida que está establecida para el
aceite de motor (85°C).
Elabore una gráfica en la que muestre la longitud del intercambiador como una
función de la temperatura de salida del aceite de motor. Considere que la
temperatura del aceite será siempre de 25 °C y que el vapor que condensa en el tubo
externo está a una presión de 1.5 atm. Realice un análisis detallado de la gráfica
obtenida.
En este caso, realizaremos un barrido en el cálculo de las diferentes longitudes que se
obtienen cuando varía la temperatura de salida del aceite de moto, para esto de igual
manera tendremos en cuenta los diferentes diámetros asociados a las longitudes 1 2 3 4
respectivamente como antes lo mencionamos. Primeramente, elegimos (aleatoriamente) las
diferentes temperaturas a las cuales queremos encontrar la longitud respectiva. La elección
de estas temperaturas se realizó en un rango un poco más amplio del que ya conocíamos
para el aceite de motor (25-85) °C.
Escogimos un rango desde los 45°C hasta los 105°C. A continuación se detallan las
longitudes obtenidas con sus respectivas temperaturas de salida para el aceite de motor.
Recordamos que esta longitud fue calculada como en el primer inciso, teniendo en cuenta
que la temperatura media logarítmica se ve afectada por cada una de estas temperaturas
nuevas y supuestas para el caso de la salida del aceite.
Tc,o (°C) Longitud 1 (m) Longitud 2 (m) Longitud 3 (m) Longitud 4 (m)
45 7,57 5,04 4,32 3,78
55 13,85 9,23 7,91 6,92
65 21,27 14,18 12,15 10,63
75 30,43 20,29 17,39 15,21
85 42,17 28,12 24,10 21,09
90 49,78 33,19 28,45 24,89
95 58,76 39,17 33,58 29,38
105 85,51 57,01 48,86 42,75
Grafica No 3. Variación de la longitud con respecto a la temperatura de salida del aceite.
¿Cuál es el flujo de vapor de agua necesario para realizar esta operación?
Para calcular el flujo de vapor de agua, utilizamos la entalpia de vaporización que
previamente obtuvimos de las tablas de propiedades termofisicas. Del libro de
“Fundamentos de Transferencia de calor”. Cuarta edición. Frank P. Incropera & David P.
DeWitt. School of Mechanical Engineering, Purdue University. Y teniendo en cuenta el
Calor (q) calculado anteriormente del balance global de energía para el aceite de motor,
Despejando el flujo másico del agua, tenemos que:
¿Cuál es el efecto que tiene la presión del vapor que condensa sobre la longitud del
intercambiador? Sustente su respuesta con una gráfica que muestre la longitud del
intercambiador como una función de la presión de vapor.
Como lo vimos representado inicialmente, la presión está relacionada directamente con la
temperatura del vapor que condensa. Para ver cómo afecta la presión a las diferentes
longitudes establecidas de acuerdo con los diámetros suministrados, tomamos diferentes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100 120
Lon
gitu
d (m
)
Temperatura de salida del aceite (°C)
Longitud vs Temperatura de salida del aceite de motor
L1 L2 L3 L4
valores de presión, buscamos en las tablas la temperatura correspondiente y realizamos los
cálculos de las longitudes de manera similar al primer inciso.
Presión (atm) Longitud 1 (m) Longitud 2 (m) Longitud 3 (m) Longitud 4 (m)
1 68,15 45,43 38,94 34,08
1,5 62,65 41,77 35,80 31,32
2 49,78 33,19 28,45 24,89
2,3 45,97 30,65 26,27 22,99
2,5 43,02 28,68 24,59 21,51
3 37,06 24,71 21,18 18,53
Gráfica No. 4. Variación de la presión con respecto a la longitud
Por medio de la gráfica podemos observar que estas dos variables presentan un
comportamiento inversamente proporcional, debido a que a medida que disminuye la
longitud la presión aumenta teniendo en cuenta las distintas longitudes representadas en
orden descendente de acuerdo a su relación con el diámetro, argumentada anteriormente.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Lon
gitu
d (m
)
Presion (atm)
Presión vs Longitud
L1 L2 L3 L4
2. Elabore una descripción detallada del método y deje claro las similitudes y
diferencias con el método
METODO E-NUT:
Como el objetivo de este método es principalmente determinar la eficiencia de un
intercambiador de calor, primeramente se debe determinar la transferencia de calor
máxima posible, qmax, que puede se alcanzar en un intercambiador de calor en contraflujo
de longitud infinita, dado a que en este caso uno de los fluidos experimentaría la máxima
diferencia de temperaturas posible, por tal razón uno de los fluidos alcanzaría la
temperatura de entrada del otro ya que la longitud de intercambiador tiende a infinito;
teniendo en cuenta lo anterior, pueden presentarse dos casos:
𝑐 < 𝑞 𝑎𝑥 = 𝑐( ,𝑖 − 𝑐,𝑖) < 𝑐 𝑞 𝑎𝑥 = ( ,𝑖 − 𝑐,𝑖)
Teniendo en cuenta que: 𝑐 = 𝑐 y = .
De esto podemos deducir que la transferencia de calor máxima posible, se genera cuando
se prodúcela la menor capacitancia térmica, es decir: 𝑞 𝑎𝑥 = 𝑖 ( ,𝑖 − 𝑐,𝑖).
La eficiencia del intercambiador, Ԑ, entonces se va afectada por la transferencia real de
calor y la transferencia de calor máxima posible: Ԑ = 𝑞 /𝑞 𝑎𝑥.
Esta eficiencia es una función del número de unidades de transferencia (NUT) y el cociente
𝑖 / 𝑎𝑥, el NUT está definido como: = / 𝑖 .
De esta manera existencia ecuaciones ya planteadas para el cálculo de la eficiencia de un
intercambiador, estas se encuentran relacionadas de acuerdo a su tipo de flujo y numero de
pasos. Para estas ecuaciones es importante tener en cuenta el cociente:
Y también ciertas graficas que nos permiten calcular el Número de unidades de
transferencia de calor (NUT) a partir de este factor en mención y de la eficiencia del
intercambiador. Para esta práctica se han desarrollado distintas graficas que varían según el
cociente de las capacitancias y el número de pasos por la coraza y por los tubos que se estén
realizando en el intercambiador.
De manera más general para un cociente mayor a cero y un NUT mayor o igual a 0,25 el
intercambiador de contraflujo es el más eficiente para cualquier intercambiador, los valores
máximo y mínimo que puede tener la eficiencia están asociados cocientes iguales a cero y
uno respectivamente.
Similitudes:
- Con el uso de ambos métodos podemos calcular una de las variables en la
ecuación general para el cálculo de la velocidad de transferencia de calor como
lo es el coeficiente global de trasferencia de calor y el área del intercambiador
de calor (UA)
- Para ambos casos se emplean las propiedades de los fluidos, las cuales son
tomadas de las tablas de propiedades respectivas empleando las temperaturas
promedio.
- A partir de estos dos métodos es posible realizar un análisis para calcular y
diseñar el rendimiento, la eficiencia y el comportamiento que presentara el
intercambiador de calor ante ciertos requerimientos o ciertas necesidades
previamente establecidas.
Diferencias:
- El método método ∆TLM resulta más apropiado para los problemas de diseño
de intercambiador de calor, en donde se establecen las temperaturas de entrada
del fluido y las velocidades de flujo, así como una temperatura de salida del
fluido caliente o frio y se debe determinar el tamaño del intercambiador.
- El método de eficiencia NUT es conveniente cuando se conoce el tipo de
intercambiador y el tamaño, el objetivo es entonces, determinar la transferencia
de calor y las temperaturas de salida y entrada; tales problemas se conocen
como cálculo del rendimiento de un intercambiador.
- Para el caso del método de ∆TLM se relaciona la transferencia de calor con las
temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia
de calor y el área superficial total; esto, a partir de balances globales de energía
a los fluidos caliente y frio.
- El método E-NUT radica en hallar la trasferencia de calor máxima posible a
partir de las capacitancias térmicas máximas y mínimas, posterior cálculo de la
eficiencia del intercambiador y finalmente el uso de un parámetro adimensional
muy útil en el análisis de un intercambiador de calor conocido como número de
unidades de transferencia (NUT); este método resulta ser conveniente solo si se
conocen las temperaturas de entrada, en tal caso el método ∆TLM resultaría un
procedimiento iterativo.
3. Diseñe un ejercicio original en el que deba aplicar el método -NUT para realizar los
cálculos de un intercambiador de calor
En una empresa se requiere un intercambiador de calor para enfriar una corriente de
procesos, debido a sugerencias de terceros la empresa comprara un intercambiador de calor
que posee un paso por la carcasa y dos por los tubos para los siguientes requerimientos, la
corriente fría compuesta por agua entrara a razón de 7500 kg/h a temperatura ambiente (33
°C) y deberá salir a una temperatura de 99 °C, esta corriente enfriara a una corriente
caliente compuesta por agua a 200°C y que entra a una razón de 3750 kg/h, se estima que
el coeficiente global de transferencia de calor debe ser de 1280
debido a las
necesidades de espacio la empresa desea conocer el área del intercambiador de calor.
Consideraciones:
Todas las propiedades son constantes.
Estado estable
Adiabático.
Flujo interno y condiciones térmicas completamente desarrolladas.
Resistencia térmica del material del tubo y efectos de impurezas insignificantes.
Energía cinética y potencial son despreciables.
Esquema de las temperaturas involucradas en el proceso.
Fluido Frio
Fluido Caliente
Capacitancias
(
) (
) (
)
(
) (
) (
)
( )
( )
( )( )
( )( )
Figura del Libro Fundamentos de Transferencia de Calor, Incropera capitulo 11. Pag 603
El Valor de NUT en las tablas según la eficiencia es 4,5 aproximadamente para un
intercambiador con 1 paso por la coraza y cualquier múltiplo de 2 en los tubos
( ) (
)
El área del intercambiador es aproximadamente
4. Elabore un diagrama de flujo para aplicar los métodos de -NUT y
(VER ANEXOS)
5. Elabore un breve informe (4-5 páginas) que resalte la importancia de la integración
energética en el sector industrial. Este informe debe incluir los siguientes aspectos:
• Historia, antecedentes e inicios de la integración energética.
• Aplicaciones exitosas y no exitosas en el sector industrial.
• Ventajas y desventajas.
INTEGRACION ENERGETICA
La mayoría de los procesos industriales involucran la transferencia de calor puede ser de
una corriente de proceso a otra, o inclusive de una corriente de servicio auxiliar a una
corriente de corriente de proceso. En tiempos actuales la crisis energética mundial debido a
la escases de materias primas para generación de energía se busca de cualquier manera la
optimización de los procesos desde todos los puntos de vista, especialmente desde el
carácter energético buscando en cualquier diseño de proceso industrial la maximización de
la recuperación de calor dentro del mismo proceso y a la minimización de servicios
auxiliares. Para alcanzar el objetivo de recuperación máxima o de requerimientos
energéticos mínimos mediante la implementación de redes de intercambio de calor
apropiadas. El diseño de una red de intercambio de calor de esta naturaleza no es una tarea
sencilla si se consideran lo factores que están presentes en la mayoría de procesos
involucrando un gran número de corrientes y de servicios auxiliares. El diseño tradicional
ha tenido como resultado redes con altos costos de operación y costos auxiliares. Con la
ayuda de los conceptos del análisis del “punto Pinch”, el diseño de redes se ha convertido
en algo sistemático y metódico.
La tecnología Pinch presenta una metodología muy simple ara el análisis sistemático de los
procesos químicos y de los servicios auxiliares con la ayuda de la y segunda ley de la
termodinámica. Permitiendo calcular los cambios en la entalpia de las corrientes y así
mismo determina la dirección de flujo de calor entre las corrientes, solo es posible que el
calor fluya del fluido más caliente hacia el fluido más frio, en un sistema de intercambio de
calor no es posible que una corriente caliente sea enfriada a una temperatura inferior a la
temperatura de entrada de la corriente fría, como tampoco es posible el caso contrario que
una corriente fría sea calentada por encima de la temperatura de entrada de la corriente
caliente.
El termino de tecnología fue introducido por Linnhoff para representar un conjunto de
nuevos métodos termodinámicos que garantizan un nivel de energía mínimo en el diseño de
redes de intercambio de calor el término “análisis pinch” se utiliza para representar la
aplicación de las herramientas y de los algoritmos de la tecnología “Pinch” para estudiar
procesos industriales
Las primeras tentativas para la solución de problemas de síntesis de redes de intercambio de
calor estaban basadas en la transformación del problema en un modelo matemático que
debía ser resuelto utilizando técnicas de análisis numérico. Sin embargo, la complejidad del
problema hizo necesaria la introducción de un gran número de simplificaciones de modo
que el problema matemático fuese manejable, obviamente, dadas las importantes
simplificaciones se podía cuestionar la aplicabilidad industrial de los modelos resultantes,
pero incluso aceptando la validez de dichos modelos, el número de corrientes de proceso
solía estar limitado a un máximo de 10 en el mejor de los casos lo que ya representaba en sí
mismo una limitación.
Los pioneros de la síntesis de redes de intercambio de calor, quienes demarcaron el camino
para el análisis pinch posteriormente, serian Rudd y colaboradores de la universidad de
Wisconsin y Hohmann, que desarrollo junto con Lockhart en california. Hohmann fue el
primero en introducir el criterio de consumo mínimo de servicios para la síntesis de redes
de intercambio de calor, así como una regla para la determinación del número mínimo de
intercambiadores de calor en una red. Cabe resaltar que su trabajo tuvo poco
reconocimiento, sim embargo los conceptos introducidos por Hohmann seria
posteriormente muy aprovechados en el desarrollo del análisis pinch.
Luego de que Masso y Rudd en el año de 1969 utilizando un método heurístico para el
desarrollo de un programa de cálculo para la síntesis de procesos con aplicaciones para las
redes de intercambio de calor, lo cual sería la primera definición formal del problema de
síntesis de redes de intercambio de calor, Serian muchos los autores que intentaron realizar
avances en este campo, algunos con más éxito que otros por lo tanto cabe resaltar a Kesler
& Parker quienes en ese mismo año mediante la implementación de una técnica que
consistía en la división de las corrientes de proceso en pequeños elementos de flujo de
calor, que los autores llamaron exchanlets. A través de estos elementos se permitían
transferencias de calor entre corrientes lo que disminuía las dificultades del problema
original. Kabayashi dos años más tarde perfeccionaría este trabajo introduciendo el
diagrama de contenido de calor para permitir la división de corrientes y redes cíclicas, este
diagrama fue fundamental en para la estructuración de los conceptos desarrollados en la
tecnología Pinch.
McGalliard & Westberg en el año de 1972 presentaron el primer trabajo que incorporaba
análisis de sensibilidad en el diseño de la red, un año más tarde Pho & Lapidus harian lo
suyo aplicando un método de enumeración parcial a partir de la generación de una matriz
para la estructura de la red. Poco tiempo después llegaría un trabajo que establecería los
cimientos para el desarrollo de la Tecnología Pinch, de la mano con el trabajo de Hohmann,
Linhoff & Flower en 1978 fueron los primeros en identificar la relación del punto pinch
con las posibilidades de recuperación de calor.
La década de 1980 supone el máximo desarrollo de la síntesis de redes de intercambio de
calor, es durante la cual se desarrolla completamente el concepto de Pinch y la tecnología
Pinch, que fue, sin ninguna duda uno de los grandes avances de la Ingeniería química en las
últimas décadas. Durante esta época y en muchos aspectos hasta nuestros días, continúa
manteniéndose cierta diferencia entre los métodos de diseño basados en conceptos
termodinámicos y reglas heurísticas y los basados en programación matemática. Pero, en
esta década comienzan aparecer trabajos que intentan aprovechar lo mejor de ambas
escuelas, de tal forma que se combinen los métodos termodinámicos con las técnicas
avanzadas de optimización de la programación matemática.
El análisis Pinch se utiliza para identificar los costos energéticos, los objetivos de costo
capital de una red de intercambio de calor para reconocer el punto pinch. El procedimiento
primero predice, antes que el diseño, los requerimientos mínimos de energía externa área de
la red y número de unidades para un proceso dado en el punto pinch. Posteriormente se
diseña una red de intercambio de calor que satisfaga esos objetivos. Finalmente, la red se
optimiza mediante la comparación de costos energéticos y los costos fijos de las redes de
tal manera que el costo total anual sea mínimo. Por lo tanto, el objetivo primordial de un
análisis pinch es lograr ahorros financieros mediante integración de calor en el proceso,
maximizando la recuperación del calor generado en el proceso y reducir las cargas de
servicios auxiliares.
Las aplicaciones de la integración energética comprenden un sin número de procesos, todos
los procesos, desde las plantas de todos los tipos y que comprenden desde los procesos más
sencillos a los más complejos, procesos de crackeo de crudo, fabricación de azúcar, etc. Por
mencionar algunos y todo lo que se desprende de estos como proceso iniciales, tratamiento
de residuos y aprovechamiento de estos para generación energética o incorporación dentro
del proceso como productos de valor agregado estableciendo todos los parámetros de
aprovechamiento de recursos para la optimización de los procesos desde el punto de vista
energético y sobre todo desde el carácter económico del proceso.
La integración total de calor en el lugar, han ayudado a determinar los niveles de
generación de vapor o indirectamente, integrar diversos procesos. La integración múltiple
de calor entre plantas anotando que los inconvenientes iniciales de la aparente
incongruencia entre plantas de diferentes tamaños y diferentes tiempos de parada y
arranque, las distancias entre las plantas y el requerimiento de sistemas de bombeo y
tuberías que en principio harían inmanejable una integración energética entre plantas de
proceso, se ha visto que son factibles de ser superadas con un adecuado estudio, ya sea
usando fluidos térmicos o introduciendo equipos auxiliares para los servicios.
En los últimos diez años el análisis de pliegue ha pasado de ser una herramienta dirigida a
mejorar la eficiencia energética en el diseño de redes de recuperación de calor, a una
metodología de optimación tanto para diseñar procesos nuevos como para modificar
procesos existentes.
Actualmente incluye el diseño de:
a) Redes de recuperación de calor.
b) Sistemas de separación.
c) Sistemas de remoción de desechos.
d) Sistemas de calor y potencia.
e) Sistemas de servicios auxiliares.
f) Complejos industriales.
Sus objetivos, además del mejoramiento de la eficiencia energética del proceso, incluyen:
a) Reducción del costo de capital.
b) Reducción del costo de la energía.
c) Reducción de emisiones contaminantes.
d) Optimación del uso del agua.
e) Mejoramiento de la operación y de la producción.
Esta técnica se ha aplicado en refinerías, fundidoras, plantas petroquímicas, papeleras,
cerveceras y textiles, entre otras.
Recientemente las compañías eléctricas japonesas han considerado el uso del análisis de
pliegue para incrementar la eficiencia de los ciclos de generación de potencia.
Los resultados obtenidos con esta técnica han sido importantes: en 1984, Union Carbide
declaró públicamente el haber logrado ``ahorros promedio del 50% en los costos
energéticos para plantas nuevas y periodos de recuperación de la inversión de seis meses en
proyectos de rediseño´´.
Recientemente, en 1992, Shell hizo públicos los resultados obtenidos en un complejo de
refinación en Holanda: una disminución global del 40% en el consumo de energía y del
75% en las emisiones líquidas contaminantes. Otras compañías (Exxon, Linde AG., Basf
AG., Mw Kellogs, Mitsubishi Kasei, entre otras muchas) han hecho declaraciones similares
agregando, además, que sin esta técnica de análisis no hubiera sido posible identificar, ni
mucho menos materializar, el potencial de mejoras existente.
La integración energética mediante el análisis pinch no presenta desventajas evidentes pero
si puede presentar mejoras a futuro que permitan un mejor aprovechamiento de la energía y
un aprovechamiento de una mayor cantidad de recursos, desde una óptica objetiva no serían
desventajas los puntos débiles que este posea en cuanto a la cantidad de energía que se
aprovecha pueden pasar a ser oportunidades de crecimiento y robustecimiento que permita
crear redes de intercambio de calor más eficientes.
El análisis y su contribución a la integración energética de procesos ha jugado un papel
fundamental en el desarrollo de la ingeniería química de los últimos 30 años. El análisis
pinch es una herramienta que permite la optimización de redes de transferencia de calor,
debido a su contribución en la ingeniería química involucra su extensión al diseño de redes
de transferencia de masa, así como al concepto de integración energética de procesos en
conjunto. La formalización matemática añadida ha permitido la optimización económica de
procesos químicos en el marco de una nueva superestructura, que toma en cuenta la
transferencia de masa y energía, junto con las restricciones de regulaciones de seguridad,
ingeniería verde, regulaciones ambientales y sostenibilidad.
REFERENCIAS
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/alvarez_e_c/capitulo5.pdf
José Antonio Caballero Suarez & Mauro Antonio da Silva Ravagnani. Redes de
cambiadores de calor, Pág. (30-32).
Alejandro Arriola Medellín, Edgardo Gutiérrez González. (1996). El análisis de
pliegue (pinch analysis) una técnica de integración energética de proceso, Julio-
Agosto 1996 Vol.20 Num.4, Boletin IIE.
Alfredo Palomino Infante. Análisis Pinch y su contribución a la integración de
procesos, 2004 Rev. Soc. Quim. Perú (167-174)
6. Elabore un breve informe (4-5 páginas) acerca de las normas de la Tubular Exchanger
Manufacturers Association (TEMA), su importancia y aplicaciones en el sector industrial.
TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION
Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este
proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o
calentar fluidos. Por muchos años, el diseño de estos equipos ha sido un gran reto para los
investigadores y diseñadores debido a las exigencias del ahorro energético. Los
intercambiadores de calor de tubo y coraza son equipos ampliamente utilizados en la
industria.
La información sobre el diseño mecánico, selección de materiales y fabricación de un
intercambiador de calor, están contenidos en un manual de normas para la fabricación de
Intercambiadores de calor tubulares. Mediante la implementación de estudios exhaustivos
basados en la experiencia e investigación de muchas empresas e investigadores que
determinaron y siguen haciéndolo con la finalidad de alcanzar de optimizar los procesos de
intercambio de calor en los intercambiadores de calor tubulares específicamente, debido a
que estos son los de mayor uso industrial, ese conglomerado de empresas y personas
encargadas de determinar la mejor estructura, el mejor material, etc. son Tubular
Exchanger Manufacturers Association por sus siglas en ingles TEMA.
La importancia de la Asociación de Fabricadores de Intercambiadores de Calor Tubulares
radica en el hecho de que esta establece los siguientes parámetros para el diseño de
intercambiadores de calor tubulares, estableciendo la Nomenclatura a utilizar en todos y
cada uno de los intercambiadores, así como la forma de nombrar los diferentes tipos de
intercambiadores.
Los valores de Tolerancia para la fabricación lo que significa las medidas que debe tener el
intercambiador teniendo en cuenta los factores que afectan a estas, dentro de ellas están las
dimensiones externas, la tobera del intercambiador, las particiones, el recubrimiento, las
bridas, todos aquellos elementos que componen el intercambiador que requieren un estricto
control sobre las dimensiones.
Información general de fabricación y rendimiento del intercambiador, los cuales toman a
consideración aspectos muy importantes al momento de elegir nuestro intercambiador y el
desempeño del proceso que se necesita llevar a cabo, estas operaciones enmarcan la
operación de compra, es fundamental tener claro lo que se requiere para el proceso de
intercambio de calor según los rendimientos de este y el proceso a desarrollar, así como la
inspección del intercambiador de calor, lo cual es fundamental para determinar el estado del
equipo, las garantías que ofrece el equipo, los pasos a llevar a cabo durante la operación de
envió del equipo los cuidados a considerar en cada uno de los tipos de intercambiadores así
como las características generales para la construcción y ensamble del equipo
Proveen información acerca de la forma de instalación de los diferentes equipos de
intercambio de calor, y como aspecto clave se tiene el rendimiento del intercambiador de
calor según los parámetros de instalación y regímenes de operación a los cuales se ve
sometido, los regímenes de operación ofrecen información de primera mano del
comportamiento que se puede estar presentando de forma interna en el intercambiador y
permitiendo establecer mediante estudios previos la disponibilidad del intercambiador, los
tiempos de mantenimiento lo cual es determinante en la vida útil del intercambiador de
calor los tiempos de mantenimiento y la forma en cómo se realiza el mantenimiento del
intercambiador son el complemento que determinara si se extiende, acorta o mantiene el
tiempo de vida útil del intercambiador, siempre teniendo en consideración los factores
mencionados anteriormente.
Los estándares que deben poseer cada una de las clases de intercambiadores de calor
establecidas por el TEMA son de vital importancia si se pretende llevar a cabo el diseño y
construcción de un intercambiador de calor según los estándares de la asociación cabe
resaltar que estos estándares comprenden el alcance y los requerimientos generales, así
como los tubos, la carcasa, los bafles, la forma en como se junta una parte con otra, las
toberas, las bridas, pernos, etc. Todo es un factor a considerar y la rigurosidad de los
valores de tolerancia va determinada según la función a desempeñar, en la siguiente escala
encabezada por los intercambiadores de calor clase <<R>> los cuales son la clase que sigue
al pie de la letra cada una de las sugerencias y respeta los valores establecidos por las
normas establecidas por TEMA, poseen un diseño integro. Seguida por la clase <<B>> la
cual es apta para servicios de procesos químicos la rigurosidad no es tanta como la clase
anterior, pero su desempeño es notable. Y por último tenemos la clase <<C>> la cual es la
menos estricta con respecto al cumplimiento y seguimiento a cabalidad de la norma, pero
gracias a esto y que se ajusta a la norma, lo convierte en la clase más comercial y la más
usada a nivel industrial para la construcción de intercambiadores de calor
Para la construcción de un intercambiador de calor tubular se requiere la especificación de
materiales óptimos según el lugar al cual van dirigido y la función que va a desempeñar
dentro del intercambiador los tubos deben construirse de materiales cuyos coeficientes de
conducción sean altos con respecto a otros materiales esto aplica para los bafles los cuales
funcionan como aletas y aumentan en cierta medida la razón de intercambio de calor entre
el fluido frio y el fluido caliente caso que no aplica la cual requiero materiales con
conductividades más bajas que el resto en función de que se presente la mayor transferencia
de calor entre los fluidos y no que se desperdicie hacia el ambiente, todo lo mencionado
anteriormente es tenido en cuenta al momento de requerir materiales para la construcción
de intercambiadores de calor, las especificaciones de los materiales denotaran si es apta
para desempeñar la función que se le asigne dentro del intercambiador de calor.
Estándares termodinámicos determinan las capacidades de los fluidos para que se genere el
fenómeno de transferencia de calor del cuerpo más caliente hacia el de menor temperatura,
estos dictan el alcance del intercambiador, y están determinados por la resistencia de los
materiales de los cuales está fabricado el intercambiador, es decir que entre menor sea la
resistencia de los materiales de fabricación en la zona de intercambio, la transferencia de
calor entre los fluidos se presentara con mayor eficiencia, y esta a su vez también se ve
influenciada por la relación de temperatura entre los fluidos, si la diferencia de
temperaturas entre los fluidos involucrados es pequeña la eficiencia del intercambiador se
vera afectada por lo tanto se requiere el uso de corrientes con diferencias de temperatura
notables para garantizar un mejor desempeño del intercambiador.
Las propiedades físicas de los fluidos, tales como la densidad, calor especifico,
conductividad térmica, viscosidad, propiedades críticas, propiedades de mezclas de gas y
vapor. Todas estas propiedades determinan el comportamiento de los fluidos dentro de la
zona de intercambia, las limitaciones de cada uno al momento de realizar la operación de
intercambio, si se generan efectos no deseados en los fluidos al momento de realizar la
operación, la capacidad de operación, el tiempo de residencia, el número de tubos para
alcanzar condiciones deseadas de las corrientes a tratar, los materiales a utilizar, la
corrosión que se puede presentar, el ensuciamiento del intercambiador todos esos factores
son determinados en gran medida por las características físicas del fluido a tratar y son
tenidas en cuenta por las normas para la fabricación de Intercambiadores de calor tubulares,
con lo anterior se detalla la importancia que tienen estas normas para el completo desarrollo
de los intercambiadores de calor y su funcionamiento óptimo en la industria.
En la vida diaria se encuentran muchas situaciones físicas en las que es necesario transferir
calor desde un fluido caliente hasta uno frio con múltiples propósitos. Por ejemplo, ahorro
de energía para disminuir los costos de operación; o para llevar al fluido a una temperatura
óptima, bien sea para un procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad
necesarias en el caso de transporte y/o almacenamiento de las corrientes. Para transferir
calor existen una amplia variedad de equipos denominados intercambiadores de calor, en
este caso se referencia a los de mayor
Hay numerosas razones para usar un intercambiador de calor, entre las cuales se resaltan:
Calentar un fluido frío por medio de otro con mayor temperatura.
Disminuir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
Llevar al punto de ebullición un fluido mediante otro con mayor temperatura.
Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de otro frío.
Llevar al punto de ebullición un fluido mientras se condensa otro gaseoso con
mayor temperatura
Los intercambiadores tubulares están presentes en multitud de procesos de la industria alimentaria, no sólo como condensadores de vapor para calentamiento de agua o soluciones CIP, sino que pueden ser la solución óptima cuando se trata de tratamientos de producto
tipo UHT a muy altas temperaturas, altas viscosidades y con contenido en fibras.
Pueden ser de doble tubo, o multitubulares completamente soldados en acero inoxidable
con corrugación interior para incrementar la eficiencia de la transmisión térmica. El intercambio se basa en un régimen turbulento, consiguiendo un mínimo ensuciamiento y
una elevada autonomía. Considerando la importancia que tienen los intercambiadores para todo tipo de procesos y
plantas industriales, como en un nivel más cotidiano en nuestros autos y muchos otros
objetos de uso cotidiano, partiendo de la cantidad de usos que poseen los intercambiadores
de calor, en específico los intercambiadores de calor tubulares reflejan la importancia de
tener en cuenta todos los parámetros que se ven implicados durante el diseño, construcción
y puesta en marcha del equipo y para el adecuado funcionamiento de operaciones y
procesos posteriores que requieren ciertas condiciones en determinados flujos llevadas a
cabo por intercambiadores de calor, las normas para la fabricación de intercambiadores de
calor tubulares TEMA son de vital importancia y requieren de la rigurosidad en cuanto a su
aplicación en los distintos tipos de clases de intercambiadores de calor tubulares
considerados en la literatura por los autores destacando la rigurosidad según las
aplicaciones a las cuales será sometido el intercambiador.
REFERENCIAS
http://www.quiminet.com/articulos/la-importancia-de-usar-un-intercambiador-de-
calor-2570415.htm
http://www.geape.es/gpees/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb7rtg67
Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, 8th edition.
7. Elabore un cuadro informativo que presente las correlaciones utilizadas, nombres y
restricciones para el cálculo del Nu en procesos de transferencia de calor por convección en
flujo interno en régimen turbulento.
Nombre Correlación Restricciones
Ecuación de Colburn
Ecuación de Sieder y Tate
(
)
Ecuación de Petukhov
( )
( )
(
)
Ecuación Gnielinski
( ) ( )
( )
(
)
Ecuación de Skupinski
𝑞 𝑐 𝑎
Ecuación de Seban y
Shimazaki
𝑎
Tomado de: Libro de “Fundamentos de Transferencia de Calor”. Incropera& DeWitt.Cuarta
edición. Capítulo 8, Flujo interno.
