PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del

PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del

PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del Callao se encuentra bajo
una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú.
Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden encontrarse en
DIRECCION CDCITRA Universidad Nacional del Callao | Teléfono: +01 4651822.
Universidad Nacional del Callao
Vicerrectorado de Investigación
Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos –FIPA
Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos - IIFIPA
Informe Final del Proyecto de Investigación
Texto: “Intercambiadores de calor. Cálculo, Simulación y Aplicaciones
en la Industria de Alimentos”
Autor: Prof. Dr. David Vivanco Pezantes
Periodo de ejecución: 01/Mayo/2013 al 30/Abril/2015
Resol. Nº 440-13R
Callao 2015
a)
PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del Callao se encuentra
bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú.
Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden encontrarse en
DIRECCION CDCITRA Universidad Nacional del Callao | Teléfono: +01 4651822.
a) INDICE
1
b) RESUMEN
6
c) INTRODUCCION
9
d) MARCO TEORICO
9
Capitulo 1. Introducción a los intercambiadores de calor. Requerimientos
11
Capitulo 2. Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos
11
2.1 Diseño térmico de un intercambiador de doble tubo
16
2.2 Resolución de Intercambiadores de calor en flujo paralelo mediante
17
diferencias finitas
Capitulo 3. Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos
3.1 Diagrama de Bloques para el cálculo de un Intercambiador de Coraza y
21
23
Tubos
Capitulo 4. Intercambiadores de Calor de Placas
4.1 Consideraciones para el diseño en intercambiadores de placas y
27
27
simulación en hoja de cálculo para la determinación del área necesaria y el
numero de placas
4.2 Caso práctico de aplicación para un diseño de un intercambiador de
32
calor de placas
4.3 Presentación del problema para la simulación en hoja de cálculo Excel
Capitulo 5. Intercambiadores de Calor de Tubos en Espiral
5.1 El esquema para el cálculo de un equipo de intercambiador de espiral
38
42
46
Capitulo 6. Intercambiadores de Calor de Superficie Rascada
47
Capitulo 7. Intercambiadores de calor de vasija encamisada
52
7.1 Caso aplicativo del enfriamiento de leche en un tanque con agitador
53
mecánico
Capitulo 8. Intercambiadores de Calor de Superficie Aleteada
61
8.1 Superficies extendidas con sección transversal constante
64
8.2 Simulación en hoja de cálculo del comportamiento de una superficie
70
aleteada
Capitulo 9. Control en Intercambiadores de Calor
74
9.1 Automatización y Control de Procesos en un Intercambiador de Calor
74
9.2 Tópicos especiales de Automatización y Control en la Industria
74
Frigorífica
9.2.1 Válvula de regulación tipo flotador
74
9.2.2 Válvula de termo-regulación
76
9.2.3 Válvulas de solenoide
78
9.2.4 Válvulas solenoide de Pistón
78
9.2.5 Válvula Solenoide de Membrana
80
10. Modulo experimental de la Unidad de Intercambiador de Calor a escala de
82
laboratorio
10.1 Descripción del Modulo Experimental
82
10.2 Especificación del Modulo Experimental
83
10.3 Computo simple de energía para un termopermutador
86
10.4 Determinación del coeficiente de transferencia de calor de superficie en
87
ambos lados el del aceite y el del agua, y del coeficiente general de
transferencia de calor
e) Materiales y Métodos
89
f) Resultados
90
g) Discusión
92
h) Referenciales
93
i) Apéndice
95
j)
Anexo
96
b) RESUMEN
Este proyecto de investigación de elaboración de un Texto: “Intercambiadores de
calor. Cálculo, Simulación y Aplicaciones en la Industria de Alimentos” Resol. Nº 44013R (Inicio: 01/05/2013 y Finalización: 30/04/2015); ha conseguido incluir un listado de 8
capítulos que guardan una secuencia de los aspectos teóricos hasta una exposición de las
correlaciones matemáticas de Calculo en los principales intercambiadores de calor usados
en la industria alimentaria y de temas selectos ó específicos de intercambiadores de
mediana abstracción matemática necesaria en el ámbito de la Ingeniería.
Inicialmente el proyecto constaba de 8 artículos, éste se ha enriquecido con dos
capítulos más: siendo ahora el capítulo 7 correspondiente a Intercambiadores de calor de
superficie aleteada y capitulo 10 Modulo experimental de operación de una unidad de
intercambiador de calor; los nuevos capítulos agregados.
A continuación se presenta el perfil del índice que aborda 10 capítulos y se elaboró
para este proyecto:
Capítulo 1. Introducción a los intercambiadores de calor. Requerimientos
Capítulo 2. Intercambiadores de calor de Tubos Concéntricos
Capítulo 3. Intercambiadores de calor de Coraza y tubos
Capítulo 4. Intercambiadores de calor de Placas
Capítulo 5. Intercambiadores de calor de Tubo Espiral
Capítulo 6. Intercambiadores de calor de Superficie Rascada
Capítulo 7.Intercambiadores de calor de Superficie Aleteada
Capítulo 8.Intercambiadores de calor de Vasija
Capítulo 9. Control en Intercambiadores de Calor
Capítulo 10. Modulo experimental de Operación de una unidad de intercambiador
de calor.
En los capítulos expuestos se presentan casos de simulación de situaciones
térmicas que posibilita una posibilidad de toma de decisiones para casos de control del
Proceso y/o el diseño propio del equipo que será necesitado.
c) INTRODUCCION
El material aquí presentado es una parte de los conocimientos adquiridos durante el curso
de Operaciones Unitarias II y de Ingeniería de Alimentos III dictado por el suscrito en la Facultad de
Ingeniería de Alimentos de la Universidad de la Universidad Nacional del Callao.
El objetivo fue presentar un texto sobre algunos tipos de cambiadores de calor más usados
por la industria de alimentos, ilustrado con ejemplos resueltos con el software comercial de Excel de
la MicroSoft corporación vs.7. que se encuentra en todas las Pc de uso diario.
Se procuró en algunos ejercicios, presentar paso a paso, todas las etapas de resolución de
los ejemplos usando el programa ya mencionado, y se trató de interpretar los resultados desde el
punto de vista práctico e ingenieril.
El uso de metodologías de cálculo está siendo aplicado por las variadas actividades
científicas e industriales en el control de procesos y diseño de los equipos que resulta en la reducción
de costos y del trabajo exploratorio mediante procesos de simulación.
El capítulo 1, trata de las consideraciones iniciales de los intercambiadores de calor.
El capítulo 2, aborda básicamente los tipos de intercambiadores concéntricos, también
denominados de tubo en tubo y se presenta un ejercicio numérico de aplicación de diferencias
finitas.
El capítulo 3 y 4, aborda los intercambiadores de tipo Coraza y tubos y de placas
respectivamente y usos de las herramientas adecuadas de cálculo para cada uno de dichos equipos.
El capítulo 5, describe el intercambiador de tipo espiral y de un esquema de cálculo teniendo
en cuenta la geometría estandarizada para su construcción.
En el capítulo 6 y 7, se describen el intercambiador de superficie rascada y de vasija
encamisada colocando en este último un caso aplicativo de enfriamiento de leche en un tanque con
sistema de agitación mecánica.
En el capítulo 8, aborda el tema de los intercambiadores de superficie aleteada, presentando
una simulación de cálculo del comportamiento de un intercambiador cuando varía su conductividad
térmica.
El capítulo 9, presenta los controles básicos de los intercambiadores de calor y se hace
referencia a los controles usados en sistema frigoríficos.
El capítulo 10, se presenta un módulo experimental a escala de laboratorio de la marca
española Edibon, con un ejemplo bastante ilustrativo para la determinación de los balances
energéticos y de los coeficientes convectivos de transferencia de calor que servirán para la
determinación del coeficiente global de transferencia de calor en intercambiadores de calor tipo
concéntricos.