Bibliografía recomendada
Geankoplis Páginas 241 - 300
McCabe Páginas 295 - 444
Kern Transferencia de calor
Diagrama de fases un componente
En muchos procesos de la industria química se necesita calor, el que proviene generalmente de la combustión de diferentes sustancias.
Calentamiento Directo Indirecto
MÉTODOS DE CALENTAMIENTO INDIRECTO
1. Casi invariablemente se usa agua o vapor en camisas o serpentines ( hasta poco más de 150º). Costo inicial y de funcionamiento es bajo. El vapor de agua es relativamente barato, no es tóxico, no es corrosivo, cede su calor a temperatura fija, se transporta en cañerías.
2. Aceites minerales, de 150-320ºC. Buen control de la temperatura, no son tóxicos, pero son de costo inicial elevado, necesitan muchos aparatos auxiliares, se descomponen y se inflaman.
3. Dowtherm: Dowtherm A ( 73,5% óxido de difenilo;26,5% de difenilo). Excelente control de la temperatura, costos de funcionamiento y conservación razonables, no son inflamables, pero el costo de instalación es muy elevado.
Intercambiadores de calor
Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí.
Existen diseños de intercambiadores de calor con distintas
geometrías y materiales. Los sistemas indirectos utilizan una
superficie para la transferencia de calor que mantiene separado el
producto de los medios empleados para calentamiento o
refrigeración. Como ejemplos están los intercambiadores de calor
tubulares, de superficie raspada y de placas.
Los sistemas directos permiten la mezcla íntima del producto con
los medios calefactores, como son los sistemas de inyección y de
infusión de vapor.
TUBO DOBLE Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos
tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo entremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.
En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.
En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.
COMPACTOS
Son intercambiadores diseñados para lograr un gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor y su volumen es la densidad de área b. Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.
En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El fljujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado ( uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones ) y no mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos ). En la figura siguiente se muestran esquemas de ambos tipos de flujo:
CARCAZA Y TUBOS
Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Este tipo de intercambiadores están compuestos por gran cantidad de tubos ( a veces varios cientos ) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos, por el casco. Este tipo de intercambiadores se clasifican por el número de pasos por el casco y por el número de pasos por los tubos. En la figura siguiente se muestran dos ejemplos:
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE UN INTERCAMBIADOR. FACTOR DE INCRUSTACIÓN
En el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo exterior, carcasa o casco, está perfectamente aislado térmicamente, es decir, no existe intercambio de calor con el exterior.
Entonces se puede considerar que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como una pared cilíndrica
Ai el área de la superficie interior y Ao el área de la superficie exterior de transferencia de calor.hi el coeficiente de película interior y ho el coeficiente de película exterior.
(1) En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente delgada Ai = Ao = A (2) El material del que está hecho el tubo es buen conductor del calor la resistencia térmica debida a conducción es despreciable, entonces:
FACTOR DE INCRUSTACIÓN
Con el paso del tiempo se acumulan depósitos sobre las superficies de transferencia de calor de los intercambiadores que incrementan la resistencia térmica y hacen que disminuya la velocidad de transferencia de calor.
El efecto neto de la acumulación de depósitos se cuantifica mediante el llamado factor de incrustación, Rf , que está tabulado para los diferentes fluidos. La acumulación puede producirse en la pared interior, en la exterior o en las dos simultáneamente lo cual se reflejará en el coeficiente global de transferencia de calor cuya expresión general quedará:
El problema básico en los cálculos relativos a los intercambiadores de calor es de dos tipos fundamentales:
1. Calcular otras variables (potencia térmica, coeficiente global, área de transferencia necesaria) conocidas las temperaturas de entrada y salida de los fluidos frio y caliente. Para la resolución de este problema el método más adecuado el de la Temperatura Media Logarítmica ( LMTD - Log Mean Temperature Difference ).
2. Calcular otras variables siendo desconocidas la temperatura de salida de los fluidos frio y caliente. En este caso el método más adecuado es de la Efectividad-NTU ( Number of Transfer Units ).
MÉTODO DE LA TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA ( LMTD )
La potencia térmica , Q , puesta en juego en el intercambiador de tubo doble responde a la siguiente expresión:
MÉTODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
Este método se basa en un parámetro adimensional llamado Efectividad de la transferencia de calor, e, definido de la siguiente forma:
Calderas
CALDERAS
Son generadores de vapor. Son recipientes cerrados que producen vapor de agua a mayor presión que la atmosférica, a partir del calor absorbido desde el hogar de la caldera donde se quema el combustible.
Se pueden distinguir 3 partes principales:1. el hogar (fogón) que consta de 1 altar de la parrilla,
del cenicero y cámara de combustible
2. el cuerpo de la caldera (la caldera propiamente tal) generalmente de forma cilíndrica que contiene el fluido que se va a calentar.
3. Los conductos de humo, por los que pasan los productos de la combustión.
El hogar costa de una parrilla donde se coloca el combustible sólido. Bajo la parrilla está el cenicero donde se acumulan los residuos de la combustión.
La superficie de calefacción es la zona que está en contacto con el agua
1. y las llamas (superficie de calefacción directa)
2. y los gases de la combustión (superficie de calefacción indirecta).
COMBUSTIÓN: Es la combinación de una sustancia con el oxígeno con la formación de calor.
COMBUSTIBLES INDUSTRIALES: Sustancias que al combinarse con el oxígeno, arden con gran desprendimiento de calor. Su obtención debe ser relativamente barata y deben encontrarse en cantidad abundante. No deben ser tóxicos, ni destruir el hogar donde se produce la combustión
Combustibles
Se clasifican de acuerdo a su origen y estado físico en :
Naturales: Sólidos (madera y carbón) Líquidos (petróleo crudo y alquitrán) Gaseosos ( gas natural)
Artificiales: Sólidos (carbón de madera, cokes, briquetas y
residuos) Líquidos (gasolina, kerosene, fuel oil, breas líquidas) Gaseosos (gas pobre, gas de agua, gas de hulla, gas
licuado)
En Chile se usa principalmente hulla (o hulla lignitífera).
Se hace a los carbones dos tipos de análisis:1. Análisis inmediato: consiste en la determinación de la humedad,
materiales volátiles, carbón fijo y cenizas. Además se determina separadamente, azufre y poder calorífico.
2. Análisis mediato o elemental: se determinan los porcentajes de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre, por métodos analíticos y directos.
La combustión del carbón se realiza sobre lechos de sobre una parrilla soplando o aspirando aire (factor muy importante, con poco aire la combustión es incompleta; con mucho, se enfrían los humos).
No es muy común el uso de carbón pulverizado. El carbón se almacena al aire libre o bajo agua (evita el peligro de
combustión espontánea). La humedad del carbón que se le agrega agua para transportarlo es de 40%.
Las cantidades relativas de las cenizas y su composición imponen ciertas limitaciones al uso del carbón.
Para decidir la aplicación de un combustible, es necesario tener presente tres características fundamentales:
1. El poder calorífico: es la cantidad de calor que puede obtenerse por la combustión completa de una cantidad unitaria de sustancia combustible bajo condiciones definidas.
2. La temperatura de combustión: es la máxima temperatura que se alcanza de la combustión.
3. Los residuos de la combustión: especialmente cenizas y escorias, que pueden ser perjudiciales por su cantidad (entorpecen la combustión y encarecen el transporte) o por su naturaleza ( atacan la estructura del hogar)
Definiciones
Producción horaria, son los kilogramos de vapor saturado producido por la caldera por hora.
Cámara de agua, toda la zona de la caldera que está con agua durante su operación.
Cámara de vapor es la zona en el interior de la caldera que contiene el vapor.
Domo es una cavidad en forma de bóveda que prolonga por arriba la cámara de vapor de una caldera y en la cual se halla la toma de vapor, lejos de la superficie de agua. Por tanto aumenta el volumen de la cámara de vapor y se obtiene el vapor más seco posible.
Tipos de calderas
Capacidad o potencia de una caldera: la mejor forma de expresarla es a través de la producción horaria. Se usan algunas veces los HP de caldera, 1 boiler es igual a la evaporación de 34,5 lb de agua desde 212 ºF a vapor a 212ºF. Otra forma es a través del ratting. Así ratting 100% es capaz de transferir 9.100 Kcal/h.
Accesorios de calderas: Economizadores : precalientan el agua que se emplea en la producción de
vapor; generalmente son tubos que se ponen en contacto con los humos.
Precalentadores de aire: se hace pasar por túneles anexos al hogar o conductos de aire.
Manómetros
Indicadores de nivel: tubo que da el nivel de agua en la cámara de agua
Válvulas de seguridad: la más sencilla está formada por un resorte. Si la presión es muy alta, el resorte cede y sale vapor. Cuando la presión disminuye, el resorte cierra el paso al vapor.
Inyectores: usan el mismo vapor para introducir a presión el agua
Bombas: para agua, centrífugas, para petróleo
Reguladores automáticos de nivel
Separadores de vapor, producen cambios bruscos de dirección del vapor para obtenerlo más seco.
Reglamento de calderas:
Las calderas de una industria deben inscribirse inmediatamente y se debe llevar un libro de registro donde está el Nº de inscripción y el diario de vida de la caldera.
Están sometidas a controles periódicos y de instalación. Se les hace una prueba hidráulica y otra de presión.
Si el agua que llega a la caldera contiene mas de 1 g/l de dureza debe revisarse cada 6 meses para ver las incrustaciones.
Los fogoneros deben tener un certificado de competencia.
Chequeo de rutina que se debe hacer a las calderas de baja presión:
1. Se debe corroborar el funcionamiento de la válvula de seguridad.
2. Controlar el tubo de nivel ( se abren y se cierran periódicamente los grifos).
3. Controlar la presión de trabajo de las bombas.4. En el caso de usar petróleo, revisar los quemadores
y la llama que dan.5. Controlar la temperatura del agua de alimentación
(es importante para el rendimiento.6. Temperatura de los gases de combustión.7. Se toma muestras en el estanque de condensado y
se determina la dureza.
Tratamiento del agua en alimentación en calderas:
1. Los precipitados pueden adherirse a las paredes (incrustaciones).
2. El CO2 y O2 pueden atacar las paredes de acero (corrosión).
3. El vapor arrastra partículas de agua cargadas con sustancias salinas disueltas (impurificación del vapor).
Tratamiento externo:
1. Eliminación de materias en suspensión: 1. clarificación (se agregan coagulantes químicos como
sulfato de aluminio) y 2. filtración a través de capas de arena, ripio , calcita,
etc.
2. Ablandamiento: tiene por finalidad eliminar las sales causantes de la dureza (iones alcalino térreos). Se usan las resinas ácidas, llamadas catiónicas. Contienen un ión hidrógeno intercambiable con todos los cationes. Suministran (por intercambiar hidrogeniones) un agua ácida, la que debe ser neutralizada
Eliminación de gases disueltos:
El tratamiento se refiere a la eliminación de oxígeno y CO2 dado que causan corrosión
Para calderas de baja presión características de industrias pequeñas, basta un solo tratamiento interno. Esto es la introducción en la caldera de sustancias capaces de rebajar el ataque o hacer que las aguas sean inofensivas.
Incrustaciones
Se usan agentes químicos desincrustantes, que se agregan directamente al agua, con el fin que las partículas no se adhieran a las paredes, además de otras sustancias que actúan sobre la corrosión y la formación de espuma.
La disolución de las incrustaciones se produce por fenómenos físicos de desagregación que tienen origen en la diferencia de volumen entres las incrustaciones sulfatadas o carbonatadas y los fosfatos insolubles, a los que aquellos dan lugar.
Resinas
Una vez agotadas, son regeneradas con HCl o Acido sulfúrico en exceso. En cambio si son regeneradas con NaCl, es decir, cambiando un ión sodio por Ca y Mg. Estas resinas catiónicas poseen una considerable capacidad de intercambio (por ejemplo, 80 de CaCO3/l de resina.
La capacidad de una resina se expresa generalmente en g de CaCO3/l de resina. El rendimiento de una resina disminuye con su uso.
Evaporadores
ESQUEMA DE UN EVAPORADOR
Vapor de disolvente
Disolución concentrada
ALIMENTO
CALOR
Vapor de agua
Condensado
Factores y Criterios
Tipos de evaporadores
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