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PRACTICA EN PLANTA PILOTO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR S.E. Zamora1*, J. Martínez2, A. Bonomo2, A. Riveros Zapata3, R.V. Bojarski2 & C. Sastre1. 1

Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería (Universidad Nacional de Salta - UNSa.) Avda Bolivia 5150 - 4400 Salta - Argentina E-mail: [email protected] 2

INIQUI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.

(Universidad Nacional de Salta - CONICET) E-mail: [email protected], [email protected] 3

INBEMI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa. (Universidad Nacional de Salta) E-mail: [email protected]

Resumen: Entre las operaciones unitarias en una planta de procesos químicos, las operaciones de transferencia de calor son de las más comunes. Para este fin se dispone de diferentes tipos de equipos en los que es posible intercambiar calor entre dos fluidos. Dada la importancia de este tipo de operación, es fundamental el aprendizaje del diseño y dimensionamiento de intercambiadores de calor en un curso de grado de la carrera de Ingeniería Química. En la asignatura Operaciones Unitarias II, correspondiente al cuarto año de la carrera de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Salta, se enseña a los estudiantes a diseñar diferentes equipos, entre ellos intercambiadores de calor. Las ideas previas en el aprendizaje significativo son fundamentales. Esto es muy importante ya que el conocimiento se construye cuando se le otorga significado. Según Piaget, atribuir significado a lo que se aprende, es *

A quien debe enviarse toda la correspondencia AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

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establecer relaciones entre las ideas previas y las nuevas, asimilarlas y acomodarlas, es un proceso constructivo, gradual y situado. Cuantas más relaciones se establezcan, más se construye el conocimiento. Por lo recién expuesto el trabajo en planta piloto brinda el espacio propicio para que el estudiante, afiance los conocimientos adquiridos y se desenvuelva socialmente en un contexto de colaboratividad. Palabras clave: Intercambiador de Calor, Practica, Planta Piloto. 1. Introducción: 1.1. Objetivos del trabajo de Planta Piloto En la asignatura se desarrollan prácticos en Planta Piloto, correspondiendo uno de ellos a intercambio térmico. Este trabajo práctico, permite al alumno visualizar en forma concreta, la problemática que se presenta durante la operación del equipamiento industrial. El equipo empleado es una unidad de baja capacidad de intercambio de calor, básicamente debido a una reducida área de transferencia de calor. El estudiante enfrenta situaciones reales tales como perdidas de calor, debiendo evaluar su importancia y determinar cómo se ven afectados los cálculos teóricos si estos u otros problemas de operación son solucionados o permanecen durante la experiencia. La metodología propuesta a los alumnos consiste en el abordaje del estudio del sistema de intercambio térmico, verificando en primer instancia las condiciones operativas propuestas, por medio de un cálculo ordinario, que consiste en determinar el área de transferencia disponible, proponiendo un valor de coeficiente global de transferencia de calor (U) y en segunda instancia se opera el mismo hasta lograr las condiciones de estado estacionario, conociendo los valores de las temperaturas y caudales de las distintas corrientes, entrantes y salientes, que permiten el calculo del coeficiente de transferencia de calor real del equipo (Ud), y por ultimo comparando los dos valores determinados, conjuntamente con una opinión técnica de las condiciones operativas del intercambiador de calor.

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1.2. Equipo utilizado Se dispone de un intercambiador de calor de carcasa y tubo del tipo 1:1, un paso por carcasa y uno por los tubos, cuyas características técnicas son las siguientes:  Carcasa tipo X (Clasificación según Normas TEMA).  Cabezales móviles, tipo U en el extremo de entrada y salida de las tomas de alimentación y descarga con brida soldada a la carcasa, tapa y junta y ciego en el extremo posterior con brida soldada a la carcasa y junta (ver Fig.1 y 2 )

Fig. 1. Intercambiador de calor, tubos internos

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Fig. 2. Tubos internos Tubos Área de transferencia de calor = 4338,7 cm2 Área adicional = 1500 cm2 Número de tubos (n)= 1 Diámetro exterior (de) = 12 mm. (0,47 pulgadas). Diámetro interior (di) = 9 mm. (0,37 pulgadas). Material = Acero al carbono. Longitud (L) = 1045 mm. (41,1 pulgadas). Carcasa Diámetro interior (Di) = 71 mm. (28 pulgadas). Longitud (L) = 1045 mm. (41,1 pulgadas). Material = Chapa de acero de 1,5 mm. El equipo presentado en Figura 3, queda clasificado según normas TEMA como 0.233-3.425 XU.

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Fig. 3. Intercambiador de calor utilizado en la práctica. 1.3. Esquema del equipo y puntos de control El equipo empleado posee incorporados tres sensores de temperatura (Pt100), un sensor de presión y cuatro electroválvulas. La toma de datos de la instrumentación y accionamiento del equipo se realiza con un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) Novus, controlado mediante el software Superview. En la Figura 4 se presenta la pantalla principal del Superview, en la cual se observa un esquema simplificado de la planta, donde se han incluido ventanas para visualizar, en tiempo real, cada variable medida. Se ha implementado una ventana “Set Point”, editable, que permite variar el punto de trabajo (por ejemplo la temperatura de salida del agua luego de atravesar el intercambiador, ICT3). Existen ventanas emergentes de alarmas (temperatura máxima de agua, de caudal de agua nulo, de presión de vapor máxima, de autotunning). En la pantalla principal pueden ser visualizados los datos de temperatura (ICT), de presión (ICP) y caudal (ICV). Donde ICT1 (T1) e ICT2 (T2) son las temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido caliente, y donde ICT4 (t1) e ICT3 (t2) son las temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido frío. AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

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Fig. 4. Esquema simplificado de la Planta Piloto en Superview

1.4. Fluidos utilizados: En el equipo se utilizó como fluido calefactor, vapor de agua saturado, generado en una caldera humotubular, regulado a una presión máxima de operación de 2,5 atm, a la salida de caldera. Esta presión puede ser regulada a la entrada del equipo, según sea necesario. El fluido frío es agua proveniente de un sistema de agua de refrigeración con torre de enfriamiento de tiro forzado. La temperatura de entrada al intercambiador de calor es regulada por la torre de enfriamiento (equipo amarillo en Fig. 3). El caudal de agua utilizado puede ser modificado con amplia libertad mediante un variador de frecuencia que comanda una bomba de recirculación de 1 Hp. El caudal de agua que circula por los tubos, es calculado en función de las velocidades máximas aconsejadas en bibliografía según la sección de flujo disponible de 1 a 2 m/s. 2. Fundamentos Teóricos El intercambiador de calor disponible se clasifica de acuerdo a su proceso de transferencia de calor como de contacto indirecto (las corrientes se encuentran

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separadas y el calor es transferido a través de una pared divisoria) y a su vez como se mantiene un flujo constante de calor a través de esta pared se denominan de transferencia directa. Desde el punto de vista del modelo matemático que representa esta transformación puede clasificarse como un sistema continuo de cambio continuo (CCC), aplicándose el modelo de flujo pistón, también denominado modelo del gradiente máximo. El objetivo primario de una verificación consiste en estandarizar un procedimiento que conduce e interpreta las pruebas de operatividad del equipo. Estas pruebas pueden ser realizadas por las siguientes razones: 1) Controlar la eficiencia garantizada por el fabricante. 2) Controlar la performance que puede ser esperada bajo las condiciones de diseño. 3) Controlar el comportamiento del equipo bajo condiciones de operación que difieren marcadamente de las condiciones de diseño. 4) Controlar las condiciones del equipo considerando las condiciones de ensuciamiento y/o necesidades de mantenimiento. Haciendo un resumen de las principales ecuaciones que gobiernan el diseño y dimensionamiento de este tipo de equipamiento pasamos a una descripción de las mismas. Tenemos el balance de energía para ambos fluidos, para el fluido calefactor, Ec. (1), si no hay cambio de fase

Q1  WCp(T 1  T 2)

(1)

Donde W es el flujo másico del fluido calefactor, Cp calor específico de dicho fluido, T1 y T2 temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido caliente. Si el

fluido cambia de fase, como es el caso del vapor saturado, el balance esta representado por la Ec. (2).

Q1  W

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(2)

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Donde λ es el calor latente del vapor saturado a las condiciones de operación. Para el fluido frío se presenta la Ec. (3).

Q 2  wcp(t 2  t1)

(3)

Donde w es el flujo másico del fluido frio, cp calor específico de dicho fluido, t1 y t2 temperaturas de entrada y salida respectivamente, del fluido frío. Como suponemos que el sistema es adiabático, el calor cedido por el fluido que se enfría o condensa es igual al calor añadido al fluido que se calienta.

Q1  Q 2  Q

(4)

La siguiente es la ecuación de dimensionamiento:

W  wcp(t 2  t1)

(5)

En un caso práctico, se debe recordar que el calor cedido por el fluido que se enfría o condensa es igual al calor añadido al fluido que se calienta, más las pérdidas al exterior.

Qt  Q   Perdidas

(6)

La ecuación de diseño es:

Q  U A T

(7)

El calor transferido Q, es proporcional a la diferencia de temperaturas entre los dos fluidos ∆T, el área de intercambio A, y el coeficiente global de transferencia de calor U.

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Adoptamos como superficie de transmisión de calor para el cálculo, la superficie externa de los tubos del haz de intercambio. A los efectos del intercambio ∆T es la diferencia de temperaturas real, valor que debe ser calculado como el producto de un factor de corrección, Fc, por la diferencia media logarítmica de temperaturas definida como:

T  Fc TMLDT

TMLDT 

(T 2  T 1) T 2 ln t1

(8)

(9)

Donde:

T 2  T 1  t 2

(10)

T 1  T 2  t1

(11)

Tenemos que T2 se define como la máxima diferencia de temperaturas, o diferencia en el extremo caliente y T1 se define como la menor diferencia de temperaturas o diferencia en el extremo frío. Fc Factor de corrección que se obtiene de gráficas (Kern, D.Q., (2005)) en este caso particular este factor es igual a 1. Esto se debe a que el intercambiador de calor es un paso por carcasa y un paso por tubos, y trabaja en contracorriente verdadera. Al utilizar como fluido calefactor vapor de agua saturado y suponer que no existen pérdidas energéticas se puede calcular el caudal de vapor a partir de la Ec. (5).

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W

wcp (t 2  t1)

(12)



El perfil de temperaturas esperado en función de la trayectoria de los fluidos se presenta en la Figura 5.

T1 T2 t2

t1

Fig. 5. Perfil de temperatura

3. Desarrollo de la Práctica

La práctica se desarrolló de manera de poder verificar el valor del área de transferencia de calor, proponiendo un valor de coeficiente global de transferencia de calor, para el sistema vapor-agua. Y en segunda instancia calcular el valor verdadero del coeficiente global del intercambiador de calor, ya que el área real del intercambiador es dato. En Tabla 1 se presentan las condiciones de vapor y de la corriente fría, y los caudales de la corriente fría (w) de las experiencias realizadas en planta.

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Tabla 1. Condiciones del Vapor y Agua Fría, para cada ensayo Experiencia Condiciones Condiciones de Caudal de la corriente del vapor la corriente fría fría T1= 379,6 K t1= 304,6 K w1=782,4 kg/hr T2= 374,3 K t2= 352,3 K 1 Re1=8,063x104 T1= 371,6 K t1= 307,0 K w2=1,045x103 kg/hr 2 T2= 370,7 K t2= 342,1 K Re2=1,077x105 T1= 367,0 K t1= 307,3 K w3=1,323x103 kg/hr 3 T2= 366,1 K t2= 335,1 K Re3=1,363x105 Re: Número de Reynolds.

El caudal de vapor (W) determinado por cálculo y presión (P) medida se presenta en Tabla 2. Tabla 2. Caudales y presiones del vapor Experiencia Caudal de vapor de calefacción Presión de alimentación al equipo 1 W1 = 68,90 kg/hr P = 1,064 bar abs. 2 W2 = 60,40 kg/hr P = 1,030 bar abs. 3 W3 = 58,89 kg/hr P = 1,013 bar abs. 3.1. Verificación del Área de intercambio

La información que se requiere para realizar este cálculo es identificar los fluidos, sus propiedades físicas, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica. Se opera el equipo de intercambio, para una dada presión de vapor, se fija el caudal de agua a utilizar y su temperatura de entrada al intercambiador de calor (t1), se alcanza el estado estacionario, en esta situación se mide la temperatura de salida del agua (t2). Mediante la Ec. (3) se calcula el calor transferido por el vapor al agua. De bibliografía se obtiene el valor de coeficiente global para este sistema, está en un rango entre 1,136 x 103 J/s.m2 y 3,975 x 103 J/s.m2, elegiremos un valor medio. Con la Ec. (7) calculamos el área de intercambio. Las áreas de intercambio determinadas a través de la ecuación de diseño empleando un valor del coeficiente de transferencia global de calor obtenido a partir del valor AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

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medio entre el máximo Umax = 3,975 x103 J / s m2 K y mínimo Umin = 1,136 x 103 J / s m2 K especificado en bibliografía para los fluidos involucrados es:

Umed  2,554 x10 3

J s m2 K

(13)

El empleo de este valor de U y los datos experimentales obtenidos de las tres experiencias realizadas permiten determinar los siguientes valores calculados para el área de transferencia de calor, Tabla 3.

Experiencia 1 2 3

Tabla 3. Área de transferencia de calor calculada (A) 0,409 m2 0,500 m2 0,398 m2

El valor real del área de transferencia del equipo es AR = 0,434 m2 y es el utilizado para la determinación de los U experimentales.

3.2. Calculo del valor verdadero del coeficiente global

El mejor chequeo de la eficiencia de un intercambiador de calor es la determinación del coeficiente global de transferencia de calor. Para este cálculo, se opera el intercambiador en idénticas condiciones que las anteriores, procediéndose al cálculo del calor transferido con la Ec. (3), teniendo de dato el área de transferencia real del intercambiador, que es igual a 0,434m2, con la ecuación de diseño, Ec. (7), se calcula el valor del coeficiente real de transferencia de calor, resultado que se presenta en Tabla 4.

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Tabla 4.

Experiencia

Coeficiente global de transferencia de calor (U) 2,384x103 J/m2 s K 2,048x103 J/m2 s K 1,984x103 J/m2 s K 2,555x103 J/m2 s K

1 2 3 Valor obtenido de bibliografía

De acuerdo a los cálculos de los coeficientes globales de transferencia de calor real del equipo que se resume en la Tabla 4 y en base al cálculo del coeficiente global de transferencia de calor limpio, se puede calcular el factor de obstrucción del equipo. Los valores obtenidos se presentan en Tabla 5.

Tabla 5.

Experiencia 1 2 3 Valor obtenido de bibliografía

Factor de obstrucción 2,25x10-4 s m2 K /J 3,097x10-4 s m2 K /J 3,202x10-4 s m2 K /J 1,761x10-4 s m2 K /J

Observando los valores, puede verse que los factores de obstrucción calculados, son mayores que los valores propuestos por Kern (2005), para fluidos de la misma característica. El cálculo del coeficiente global de transferencia de calor limpio depende de los fluidos que intervienen en el proceso. Para el vapor de calefacción se tomo un valor de coeficiente pelicular 8,517x103 J/(m2 s K) (Kern, (2005)) y para el agua se calculo según la correlación para flujo turbulento, Ec. (14).

Nu  0,0027 Re

0 ,8

Pr

1/ 3

      w 

0 ,14

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(14)

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Donde Nu es el número de Nusselt, Pr es el número de Prandtl, μ la viscosidad del agua a la temperatura media de trabajo y μw la viscosida a la temperatura de pared del tubo. En la Figura 6 se presenta gráficamente la relación del Coeficiente global de transferencia de calor (U) versus el número de Reynolds (Re). Donde se observa que a medida que aumenta el Re aumenta el coeficiente (U), o sea a mayor turbulencia aumenta U y en flujos laminares los valores de U son bajos.

U vs. Re

U Coef. global de transferencia de calor U (J/m2 s K)

3

2.410 3

2.38410

3

2.310

3

2.210 U

3

2.110

3

210 3

1.98410

3

1.910 4 810

5

5

110

8.06310

4

1.210

5

1.410

Re 1.363105 Re

Fig. 6. U vs Re

4. Conclusiones

La correlación para la determinación del coeficiente pelicular de transferencia de calor por el interior de los tubos es una función del número de Re y del Pr elevados a sendos coeficientes, las variables geométricas D y las propiedades del fluido empleado pueden ser consideradas constantes en el rango de temperaturas de trabajo.

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Podemos decir que la variación de U observado en la gráfica U vs. Re representa fielmente lo que ocurre dentro del equipo al cambiar el caudal del fluido frío única variable de operación que se modificó. El intercambiador se encuentra térmicamente aislado del medio ambiente, además cuando se considera que el calor entregado es muy superior a las pérdidas de calor esta variable puede ser desestimada para el cálculo. Si analizamos el valor tanto de las áreas obtenidas como de los coeficientes globales de transferencia de calor y los coeficientes de ensuciamiento, podemos concluir que la diferencia existente entre los valores determinados de los datos experimentales con los obtenidos a partir del coeficiente global adoptado de datos bibliográficos se encuentran dentro de un rango de errores aceptables para determinaciones de este tipo. El trabajo de planta piloto forma parte de la enseñanza integral de la asignatura, junto con la teoría impartida y las clases de trabajos prácticos con resolución de problemas tipos, los alumnos en la presente práctica de planta piloto pudieron realizar cálculos sobre un equipo existente. Considerando que los procesos de aprendizaje, son constructivos e interactivos, consecuentemente se aprende mejor en contextos sociales de colaboratividad, el alumno a través del trabajo de planta logró construir el conocimiento otorgándole significado. El buen aprendizaje debe producir en el estudiante cambios duraderos, debe poder utilizar lo aprendido en otras situaciones, es por esto que los trabajos de planta piloto complementan el trabajo desarrollado en el aula, simulando experiencias que podrían darse en una situación real. Es importante la incorporación de diferentes habilidades y aptitudes durante la formación del estudiante de Ingeniería Química, ya que en sus futuros trabajos, como profesionales, deberán demostrar el conocimiento adquirido de los principios básicos de la ingeniería química y además ser creativos a la hora de solucionar problemas que se presentan en la práctica cotidiana. El presente trabajo contribuye a la adquisición de habilidades importantes para su posterior desempeño dentro de las industrias de procesos.

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Referencias

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