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TALLER DE INVESTIGACIÓN I Tema: Banco de Transferencia de Calor de Tubos y Coraza del Instituto Tecnológico de Querétaro 2014-2015 Por: Juan Carlos Vázquez Aarón Gudiño

TEMA: Intercambiador de calor de tubos y coraza Que: Rendimiento, aplicaciones, funcionamiento, diseño, manufactura, viabilidad.

Fortalezas -Aplicación de los conocimientos básicos de transferencia de calor para la selección, diseño, mantenimiento y control de equipos de intercambio de calor. -Clasificar los equipos de intercambio de calor de acuerdo a su función y configuración definiendo los parámetros básicos para su diseño -Seleccionar el equipo más adecuado para una aplicación particular. -Es el más utilizado en la industria. -Elimina partes potenciales de fugas -Se puede usar para altas presiones y fluidos tóxicos. Debilidades -Gran cantidad de tiempo requerido para llegar hasta las temperaturas finales. -Requiere un espacio adicional de al menos el doble de su longitud para inspección, mantenimiento o modificación. -Elevado factor de ensuciamiento -Gran tamaño y peso -Baja transferencia de calor

Amenazas -La combinación de temperaturas y coeficientes de expansión de la carcaza y los tubos durante el servicio causan una expansión diferencial que si no puede ser absorbida por el equipo es recomendable usar otro intercambiador. -Sin Flexibilidad (posibilidad de ampliar el área de transferencia de calor)

Oportunidades -Minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno. -Utilización de piezas aislantes de fácil instalación sobre tuberías y otros equipos. -Transferencia de calor sin combustión

Los intercambiadores de calor son elementos de amplia y necesaria utilización en todas las áreas de la industria donde se requiere calentar o enfriar fluidos. Dentro de la gran variedad de intercambiadores de calor que se construyen esta en gran mayoría el intercambiador de tubos y coraza como es

el que se utiliza para poner en practica los conocimientos del estudiante dentro del Instituto Tecnológico de Querétaro. Estos a pesar de ser de los mas comunes presenta algunas desventajas que nos gustaría reducir como su eficiencia térmica ya que se le da poco mantenimiento y podría mejorar con el uso de distintos materiales en sus componentes por ejemplo agregándolos además al manual original brindado por el C.R.O.D.E. Celaya para dar datos mas precisos en sus respectivas practicas que se lleven a cabo en un futuro

dentro del laboratorio de Ing. Mecánica.

En la industria de la ingeniería, es de gran importancia la comprensión de las máquinas y mecanismos que están en constante transferencia de calor para la solución de problemas, diseño de automóviles, plantas generadoras de gran cantidad de energía, refrigeración y aire acondicionado, etc. Por esta razón para nosotros como estudiantes de Ing. Mecánica es de vital interés el aprendizaje, desde la teoría hasta la práctica y proposición de nuevas formas de analizar los problemas desde varios puntos de vista bien fundamentados. Esta investigación esta propuesta como una forma más de involucrar a los estudiantes de ingeniería en los procesos de transferencia de calor y como estos pueden ser puestos en práctica en la industria con otro intercambiador similar al del Laboratorio de Mecánica del I.T.Q.

General: Optimizar el funcionamiento del Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza dentro del Instituto Tecnológico de Querétaro.

Específicos: -Analizar cuando es conveniente el uso de un BTC de tubos y coraza en los procesos industriales. -Comprender las etapas de funcionamiento del BTC de tubo y coraza. -Evitar perdida de calor indeseada en los fluidos del BTC de tubo y coraza. -Conocer el proceso de su diseño. -Proponer una nueva serie de prácticas para adjuntar a su manual de referencia.

El modo correcto de proceder es obtener los valores para estos cuatro parámetros :  Densidad  Calor específico  Conductividad térmica  Viscosidad para varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicación. Cuanto mejor se entiendan las propiedades físicas de los fluidos implicados, más afinadas serán las modificaciones al diseño del intercambiador.

Su origen se lo acredita a un prolífico ingeniero a mediados del XIX. Fue Ericson, quien en 1852 inventó el cambiador de calor de tubos y carcasa, utilizándolo para el condensador de las máquinas de vapor marinas. Este se fundamenta en los principios de la termodinámica clásica, ciclo de Carnot (un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor de alta temperatura, lo cede a uno de baja temperatura, produciendo un trabajo sobre el exterior) (Martinez, 2000). Vera García et al desarrollaron un modelo simplificado para el estudio de intercambiadores de calor de tubo y coraza. A pesar de su simplicidad, el modelo demuestra ser útil para el diseño preliminar de intercambiadores de calor de tubo y coraza que trabajan en los sistemas de refrigeración completos y complejos. . (Vera Garcia, Garcia Cascales, Gonzalves Macia, Cabello, Sanchez, & Torella, 2010) Jiangfeng Guo, Mingtian Xu, Lin Cheng en el año 2009 aplicaron un nuevo concepto denominado "número del campo sinérgico" Este concepto lleva implícito dentro de sí varios criterios de optimización, En este caso los autores tomaron el campo de velocidad del flujo de calor y usaron el método de los algoritmos genéticos para resolver el problema de la optimización. (Guo, Xu, & Cheng, 2009) M. Fesanghary, E. Damangir e I. Soleimani utilizan El método de análisis de La sensibilidad global mediante un algoritmo armónico de búsqueda para realizar la optimización de intercambiadores de calor de tubo y coraza. (Fesanghary, Damangir, & Soleimani, 2009)

En Brasil Andre´ L.H. Costa y Eduardo M. Queiroz en el año 2007 Minimizaron el área de transferencia de calor teniendo en cuenta variables de decisión para la optimizacion del intercambiador de tubos y coraza (Costa & Queiroz, 2008)

La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos procesos es idéntico La transferencia de calor es un proceso donde se transporta energía, ya sea en forma de trabajo o calor por los diferentes medios de o. Para ello, es indispensable que exista un gradiente de temperatura y un medio transmisor. Esta transferencia de energía obligatoriamente se rige a las leyes de la termodinámica. Por lo tanto el calor emitido desde un sistema a temperatura superior debe de ser exactamente igual al calor absorbido por un sistema a temperatura inferior. Se debe tomar en cuenta que, existe una velocidad de transferencia de calor, la cual es conocida como flujo de calor y es la expresión de la energía térmica transportada por unidad de tiempo. Además, se debe considerar la densidad de flujo de calor, que es la velocidad de transferencia de calor por unidad de área.

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.

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 o directo entre esas partículas.

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.

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 la red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor contiene dos resistencias a la convección y una a la conducción.

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. Algunas formas de incrustación se pueden evitar recubriendo los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los metálicos.

1.

Apud Omar Millán, Barrera Juan Manuel, Lara Cartas Enrique. Manual de Operación y Practicas del Banco de Transferencia de calor, CRODE Celaya, Gto.

2.

Zahid H. Ayub. A new chart method for evaluating single-phase shell side heat transfer coefficient in a single segmental shell and tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering Nº 25 (2005) pags. 2412-2420

3.

Yunus A. Cengel. Transferencia de calor . Segunda Edición. McGraw Hill/ INTERAMERICANA DE MEXICO, 2007.

4.

Wolverine Heat Transfer Data Book, Preliminary Design of Shell and Tube Heat Exchangers, Doc. Pdf (ch02_5.pdf), http://www.wlv.com/products/databook/databook.pdf . Consultado el 27 de marzo de 2013

5.

M¿Frank M. White. Mecanica de Fluidos. Sexta Edición. S.A. MCGRAW-HILL / INTERAMERICANA DE ESPAÑA, 2008