Intercambiadores de calor de tubos concéntricos: procesos y aplicaciones

INTERCAMBIADORES
DE TUBOS
CONCENTRICOS
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
4AM2
FIGUEROA GONZALEZ EDUARDO
TORRES GUTIERREZ LUIS DAMIAN
VACA GARCÍA RODRIGO
ÍNDICE
1
¿Qué es un tubo concentrico?
¿Qué es un intercambiador de
tubo concentrico ?
2
Fundamentos de
operación
3
Partes principales
4
Funcionamiento
5
Modelo
Matematico
6
Articulo (Pasteurización,
recuperación de calor) : Resumen,
Objetivos, Resultados, Diagramas,
Análisis y Conclusiones.
7
Articulo (Pasteurización "casera") :
Resumen, Objetivos, Resultados,
Diagramas, Análisis y Conclusiones.
8
Bibliografía
1. ¿QUÉ ES UN TUBO CONCÉNTRICO?
Consiste en una serie de tubos dentro del intercambiador de
calor por donde circula el agua caliente. El agua de
enfriamiento circula por el espacio que existe entre los tubos
internos y la carcasa.
a) Paralelo
b)Contracorriente
(Cengel, 2007)
1. ¿QUÉ ES UN INTERCAMBIADOR DE TUBO CONCÉNTRICO?
Permite el estudio de la transferencia de calor entre el agua
caliente que circula por un tubo interior y el agua fría que
circula por la zona anular entre el tubo interior y el tubo
exterior.
(Edibon, s. f.)
2. FUNDAMENTOS DE
LA OPERACION
Se basa en el principio de transferencia de calor por
conducción. Los dos fluidos involucrados,
generalmente uno caliente y otro frío, fluyen a través
de los espacios anulares entre los tubos concéntricos.
El fluido caliente se introduce en el espacio anular
más grande, mientras que el fluido frío fluye dentro
del tubo interior. A medida que ambos fluidos circulan,
se produce una transferencia de calor a través de la
pared del tubo, donde el calor se transfiere desde el
fluido caliente al fluido frío.
(Universidad Santo Tomás, 2014)
#
Componente
1
Prensaestopas tubo exterior
2
T de conexión
3
Unión roscada
4
Codo en U
5
Prensaestopas tubo interno
6
Tubo conector
7
Tubo interior
8
Entrada tubo interno
9
Salida tubo externo
10
Prensaestopas de paso
11
Entrada tubo externo
12
Tubo externo
13
Salida tubo externo
3. PARTES PRINCIPALES
(Universidad Santo Tomás, 2014)
4. FUNCIONAMIENTO
La transferencia de calor ocurre debido a la diferencia de temperatura entre los fluidos y
la conductividad térmica de la pared del tubo. La pared del tubo actúa como un medio
conductor, permitiendo que el calor se transfiera de un fluido al otro.
La eficiencia del intercambio de calor en un intercambiador de calor de tubos
concéntricos depende de varios factores, como la diferencia de temperatura entre los
fluidos, el flujo de los fluidos y las propiedades termofísicas de los mismos, así como el
diseño del intercambiador de calor.
(Edibon, s. f.)
5. MODELO MATEMATICO
Condiciones:
Los fluidos son fluidos Newtonianos, es decir, siguen la ley
de Fourier para la conducción del calor.
Los fluidos están en régimen estacionario = tempets. ctes.
No hay pérdidas de calor al medio ambiente.
1
1. Ecuación de conducción de calor en el tubo interior:
Q₁ = U₁ * A₁ * (T₁ - T₂)
2. Ecuación de conducción de calor en el espacio anular:
Q₂ = U₂ * A₂ * (T₃ - T₄)
3.Balance de energía para los fluidos:
Para el fluido caliente:
mc * Cp * (T₁ - T₂) = Q₁
5. MODELO MATEMATICO
3. Balance de energía para los fluidos:
Para el fluido caliente:
mc * Cp * (T₁ - T₂) = Q₁
1
4. MLDT:
Se utiliza para determinar el área de transferencia de calor necesaria y,
por lo tanto, el tamaño del intercambiador de calor.
MLDT = (ΔT₁ - ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)
6. ARTICULO
PASTEURIZACION,
RECUPERACIÓN DE CALOR
La pasteurización es un proceso térmico utilizado
para eliminar o inactivar microorganismos en los
alimentos, lo que ayuda a prolongar su vida útil y
garantizar la seguridad alimentaria. En la
pasteurización, los alimentos se calientan a una
temperatura específica durante un período
determinado y luego se enfrían rápidamente.
(CENGEL, 2007)
INTRODUCCIÓN
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos son ampliamente utilizados en los
sistemas de pasteurización debido a su eficiencia y capacidad para calentar y enfriar los
alimentos de manera rápida y efectiva. Estos intercambiadores permiten un intercambio
de calor eficiente entre los productos alimenticios y el medio de calentamiento o
enfriamiento, que puede ser vapor, agua caliente, agua fría o refrigerante, según el
proceso específico.
Durante el proceso de pasteurización, los alimentos son generalmente bombeados a
través del tubo interior del intercambiador de calor de tubos concéntricos, mientras que el
medio de calentamiento o enfriamiento circula en el espacio anular más grande. A medida
que los alimentos pasan a través del tubo interior, se produce una transferencia de calor
desde el medio de calentamiento o enfriamiento hacia los alimentos, elevando o
reduciendo su temperatura según sea necesario.
INTRODUCCIÓN
El diseño concéntrico de los tubos permite una superficie de transferencia de calor más
grande, lo que facilita una transferencia de calor más eficiente y rápida. Además, la
dirección opuesta del flujo de los fluidos en los tubos concéntricos mejora aún más la
eficiencia del intercambio de calor.
La pasteurización mediante intercambiadores de calor de tubos concéntricos se aplica en
diversos productos alimentarios como jugos, leche, salsas, sopas, purés, entre otros. Los
parámetros de temperatura y tiempo de pasteurización varían según el tipo de alimento y
los requisitos de seguridad alimentaria establecidos por las autoridades reguladoras.
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos desempeñan un papel fundamental
en el proceso de pasteurización de alimentos al permitir una transferencia eficiente de
calor, lo que garantiza la seguridad y calidad de los productos alimenticios al tiempo que
se maximiza su vida útil.
INTRODUCCIÓN
La recuperación de calor utilizando intercambiadores de calor de tubos concéntricos es
una práctica común en la industria alimentaria. Este proceso implica aprovechar la
energía térmica residual de los flujos de desecho o subproductos para precalentar o
calentar otros flujos de proceso, lo que resulta en ahorro de energía y costos.
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos se utilizan en la recuperación de
calor debido a su diseño eficiente y capacidad para transferir calor entre dos fluidos. En
este caso, el fluido caliente, que contiene el calor residual, circula a través del tubo
interior, mientras que el fluido que necesita ser calentado o precalentado fluye en el
espacio anular más grande.
El calor residual contenido en el fluido caliente se transfiere a través de la pared del tubo
hacia el fluido que se está calentando o precalentando. A medida que ambos fluidos
circulan en direcciones opuestas, se maximiza la transferencia de calor y se logra una
mayor eficiencia energética.
(CENGEL, 2014)
METODOLOGÍA
FIGURA 1:
Se aprecia el esquema de
generación de vapor, en el cual
el fluido producido por las
calderas es aprovechado para la
el calentamiento a través de los
tubos concéntricos.
La recuperación de calor
mediante intercambiadores de
calor de tubos concéntricos
ayuda a reducir el consumo de
energía y los costos operativos,
al tiempo que contribuye a una
mayor sostenibilidad ambiental
al aprovechar el calor residual
en lugar de desecharlo.
Figura1: Metodología de la leche
(CENGEL, 2001)
METODOLOGÍA
FIGURA 2:
Con el objetivo de determinar las
temperaturas superficiales de
los diferentes elementos, se
emplea un termómetro digital.
La acción de determinación de
las temperaturas superficiales
se realiza sobre tres puntos
diferentes (T1, T2, T3) de la
superficie de cada tubo
concéntrico.
El análisis se basa en la
obtención de temperaturas en
los tubos concentricos que se
analizan durante un tiempo
estimado de la pasteurización de
la leche
Figura2: Termómetro digital
(CENGEL, 2001)
RESULTADOS
ENUNCIADO
Se calienta agua, con un flujo másico de 3.78 kg/s, de m7.78 a 54.44°C
dentro de un intercambiador de calor de tubos y coraza a
contracorriente. En el lado de la chaqueta se utiliza un paso en el que
1.892 kg/s de agua se utilizan como liquido de calentamiento, y los
cuales entran al intercambiador a 93.33°C. El coeficiente de
transferencia de calor total es 1419 W/(m^2°C) y la velocidad promedio
del agua dentro de los tubos, de 1.905 de diámetro, es de 0.366 m/s.
Debido a restricciones de espacio, la longitud de los tubos no debe
superar los 2438m. Tome F igual a 0.88 (Cp a 55°C: 4.160Kj/kg(°C))
Calcule el número de pasos en la tubería, el número de tubos por paso y
la longitud de los tubos, de acuerdo con esta restricción de espacio
ENUNCIADO
CONTRACORRIENTE
CONTRACORRIENTE
CONTRACORRIENTE
CONTRACORRIENTE
CONTRACORRIENTE
AREA DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
AREA DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
DIAGRAMA DE
FLUJO
ELABORACIÓN DE
LECHE
PASTEURIZADA
7. ARTICULO PASTEURIZACIÓN "CASERA"
INTRODUCCIÓN/RESUMEN.
El proceso de pasteurización consiste en el calentamiento de líquidos hasta una
temperatura tal que permita la eliminación de los microorganismos patógenos y de
esta forma de extender el tiempo vida útil. El tiempo de pasteurización es un limitante
importante, ya que si el tratamiento térmico es excesivo el producto pierde su valor
nutritivo y puede incluso contraer características desagradables en su gusto, aroma,
color y textura.
OBJETIVOS.
El objetivo de este trabajo o articulo es la optimización de la pasteurización artesanal
de leche. Para validar dichos modelos de simulación se realizó la pasteurización
artesanal de jugo de naranja y se midieron las temperaturas dentro y fuera del sachet
del producto mediante termocuplas y termómetros durante el proceso de
pasteurización.
(Martinez & Rosenberg, 2013)
METODOLOGIA
MODELO MATEMATICO
La pasteurización se
realiza en una olla de 50
litros de capacidad
máxima (que permite
efectuar la pasteurización
artesanal de 10 sachets
de 1 un litro de leche ó
cítricos), los sachets son
de polietilenos de 0,2 mm
de espesor, el elemento
calefactor es una
resistencia eléctrica de
2000 W
Para resolver el problema
se plantearon las
ecuaciones de:
•Conservación de la masa.
• Conservación del
momento.
• Conservación de la
energía.
RESULTADOS
ANALISIS
Para que el producto experimente las
condiciones adecuadas de pasteurización, el
agua de la olla se podría mantener entre 65 ºC
y 70 ºC, con lo cual el tiempo de pasteurización
sería como mínimo de 37,2 minutos y como
máximo de 43,3 minutos. Ya que se debe
incluir el período de precalentamiento del
sachet, que contiene leche a temperatura
ambiente. Si el líquido del sachet está a 25 ºC y
se lo sumerge en el agua caliente a
temperaturas entre 65 ºC y 70 ºC, demora
como mínimo 7,17 minutos y como máximo 13,30
minutos en llegar a la temperatura deseada, de
esta manera se podrían alcanzar los 30
minutos requeridos para la pasteurización.
CONCLUSIONES
A mayor temperatura del baño térmico el
tiempo de precalentamiento es menor,
sin embargo la diferencia de
temperaturas dentro del sachet es
mayor y por lo tanto puede disminuir
calidad el producto.
Se pudo determinar que el tiempo de
pasteurización debe ser de 51,7 minutos
si el agua para efectuar la
pasteurización se mantiene a 65ºC.
El empleo del modelo desarrollado es
aceptable, permite predecir la evolución
de las temperaturas en alimentos
líquidos envasados en recipientes de
plástico para procesos térmicos
equivalentes y, por consiguiente, el
diseño y optimización de los mismos.
9. BIBLIOGRAFÍA
Edibon. (s. f.). Intercambiador de Calor de Tubos Concéntricos Ampliado para TICB | EDIBON ®.
https://www.edibon.com/es/intercambiador-de-calor-de-tubos-concentricos-ampliado-para-ticb
Universidad Santo Tomás. (2014). Diseño y fabricación de un intercambiador de calor de tubos
concéntricos para los Laboratorios de Termofluidos de la Universidad Santo Tomás. Área de
Termofluidos y Energía.
F. C. Oscar Bastilla, «Diseño y construccion de un intercambidor de calor para practicas de
laboratorio,» Bogotá, 2011.
F. P. Incropera, «Fundamentos de transferencia de calor, 4a. ed.,» Ciudad de México, Pearson, 1999,
pp. 19,20,21.
Y. A. Cengel, «Transferencia de calor y masa: un enfoque práctico 3ra ed.,» México, McGrawHill,
2007, pp. 3,4,17.
A. F. Mills, «Transferencia de Calor,» Los angeles, California, Mc Graw Hill, 1995, pp. 2,4
J. A. Manrique, «Transferencia de calor, 2da ed.,» Ciudad de Mexico, Alfaomega, 2002.
R. Bird, «Fenomenos de transporte 2da edición.,» Wisconsin, Limusa Wiley, 2006
Martinez, A., & Rosenberg, M. (2013). MODELADO NUMÉRICO DE PASTEURIZACIÓN
ARTESANAL DE LECHE Y JUGOS NATURALES. Mecánica Computacional, 32, 2485-2501.