Ingeniería Térmica: intercambiador de
calor
Termovinificación
2ºMII
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Ingeniería Térmica
Intercambiadores de calor: termovinificación
Índice
1.
Introducción .......................................................................................................................... 3
2.
Características del producto ................................................................................................. 3
3.
Dimensionado de la aplicación ............................................................................................. 3
Diámetro de los tubos ............................................................................................................... 4
Coeficiente de película .............................................................................................................. 5
Geometría de la carcasa ............................................................................................................ 6
Transmisión de calor ................................................................................................................. 7
Caída de presión en la carcasa .................................................................................................. 7
Coeficiente de transmisión de calor.......................................................................................... 7
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4.
Ficha técnica del intercambiador diseñado .......................................................................... 8
5.
Comprobación con cálculos teóricos .................................................................................. 10
6.
Bibliografía .......................................................................................................................... 11
Ingeniería Térmica
Intercambiadores de calor: termovinificación
1. Introducción
En este trabajo se buscará dimensionar una aplicación para la que se necesite un intercambiador
de calor. Para ello, la aplicación escogida será la termovinificación del vino, un proceso que
consiste en la extracción de color aumentando los niveles de fruta. Este proceso da un color más
intenso al vino, especialmente en el tinto, pero también aplicado al vino blanco y rosado.
(Azaeno enología viva)
2. Características del producto
La materia prima de entrada es la uva, en este caso se escogerá uva roja, con el propósito de
tratar el proceso de entrada para el vino tinto.
La entrada es una pasta de uva que ha sido despalillada y triturada. Respecto a su densidad y
calor específico se tomará la del mosto como hipótesis. En el intercambiador se trabajará con
agua y a contracorriente.
La variables del proceso son las siguientes (Perapellenc):
Tª Entrada (°C)
Tª Salida (°C)
Calor específico(J/kg°C)
Densidad (Kg/m3)
Vino
Agua
20
155
85
91
3655,14
4186
1085
1000
3. Dimensionado de la aplicación
En lugar de hacer la termovinificación corriente, se va a llevar a cabo la versión flash, más
rápida. (pellenc, 2022)
Habitualmente se calienta el mosto del vino en un calentador tubular o de placas, entrando a
una presión entre 0,7 u 0,8 bar, lo que produce la disgregación de los componentes celulares
del hollejo y permite aportar más color al vino.
Entre las hipótesis que se van a llevar a cabo, se va a suponer un caudal de uva/mosto de 10t/h
y la misma cantidad en agua como fluido caliente. Suponemos también que la presión del agua
será la misma que la del mosto y por tanto estará prácticamente en estado vapor.
Utilizando el Excel proporcionado por la asignatura, se va a comprobar si las temperaturas y
presiones del apartado anterior son válidas y se iterará hasta conseguir que la temperatura de
salida del mosto sea de 85°.
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Intercambiadores de calor: termovinificación
Se puede ver que para una temperatura de entrada de 20°, la cual resulta bastante típica en la
planta de tratamiento, y además es la original que deseábamos, se necesitan un total de
758680W.
Diámetro de los tubos
A continuación, se va a calcular el diámetro de los tubos del intercambiador de calor. Se escoge
de tubos y no de placas, porque suele ser el más utilizado en las aplicaciones de
termovinificación en la actualidad.
Tratando un modelo pequeño y escogiendo un modelo comercial para estimar las medidas, se
dispone una longitud de 5850mm. Se mantiene la hipótesis de que tanto el mosto se semeja al
agua.
Los resultados obtenidos según estos parámetros son:
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Intercambiadores de calor: termovinificación
Analizando los cálculos obtenidos:
•
•
•
•
Se necesita un total de 13 tubos.
El diámetro interior será de 14,834, lo que probablemente no sea una medida
estandarizada según la norma, pero se acerca mucho a la más próxima que sería de
14,99.
La velocidad en los tubos es de 1,26 m/s lo cual entra dentro de los parámetros típicos
del Excel de cálculos
El factor determinante para poder verificar los cálculos es la caída de presión. Se pedía
un máximo de 10KPa y se cumple, siendo la caída de 8,64KPa. Por lo que se asume como
válido el cálculo.
Coeficiente de película
Tomando los datos sugeridos por el Excel y manteniendo la hipótesis del mosto como agua:
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Intercambiadores de calor: termovinificación
Geometría de la carcasa
Al realizar los cálculos para la carcasa, se encuentra que el diámetro mínimo no aparece en la
tabla estandarizada. Se tiene un intercambiador demasiado pequeño, por lo que se forzará a
coger la carcasa de menor tamaño posible entre las disponibles.
Los resultados obtenidos son los siguientes:
De estos cálculos se obtiene un diámetro mínimo de carcasa de 540mm aproximadamente.
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Intercambiadores de calor: termovinificación
Transmisión de calor
La temperatura de la carcasa será de 52,5° y, mucho mayor, de 122° en los tubos. La
transferencia de calor por metro cuadrado es de 1684,7W/m2°C.
Caída de presión en la carcasa
Deberá ser menor de los 10KPa que se habían establecido al inicio del trabajo y según los
cálculos se obtiene:
TOTAL Shell Side Pressure Drop
kPa(g)
0,05
Como tiene una caída de presión muy pequeña, se da por válido el cálculo
Coeficiente de transmisión de calor
Se deberá comprobar que el U calculado en el Excel es semejante al que se colocaba como
hipótesis al inicio de los cálculos que era de 2953 W/m2 °C
Como es muy distinto, se hace necesario iterar, pero no sólo cambiando los valores del U que se
ha supuesto. Al observar las caídas de presión en los tubos se puede ver que aumentando la
longitud de los tubos de 6 a 8m (lo cual además es una medida más estándar) se logra un cálculo
más acertado, quedando finalmente:
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Intercambiadores de calor: termovinificación
4. Ficha técnica del intercambiador diseñado
Una vez corregidos los cálculos la ficha técnica del intercambiador obtenido será:
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER
REV
PREPARED
BY
DATE
APPROVAL
0
1
2
EQUIP. NO
PAGE
W.O.
REQUISITION NO.
SPECIFICATION
NO.
PROCURED BY
INSTALLED BY
Surface
per Shell
13,4
UNIT
1
Size
TEMA Type
2
Surface per
Unit
13,406
3
4
CLIENT
Shells per Unit
AREA
Connected in
(series/parallel)
1
Performance of One Unit
Shell Side
6
7
8
9
Fluid
Allocation
Fluid Name
Flow Total
Vapor
Liquid
kg/h
kg/h
kg/h
10
11
12
13
Steam
Water
Noncondensable
Temperature (In/Out)
kg/h
kg/h
kg/h
°C
14
Density
kg/m3
15
Viscosity
cP
16
Molecular Weight,
vapor
Specific Heat
Distilled Water
10.000
(in/out)
(in/out)
(in/out)
(in/out)
10.000
Raw Water
10.000
(in/out)
154,8
10.000
90,0
20,0
85,0
997,19
967,41
1,02
0,34
4,20
4,21
965,12
0,32
0,18
kJ/kg-°C
4,21
4,22
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Tube Side
(in/out)
935,43
17
m²
Ingeniería Térmica
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Channel or Bonnet
39
Tubesheet
Type
Floating Heat Cover
Baffles Cross
(number)
Baffles Long
Supports Tube
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
0,6
80,0
0,07
0,1
10,0
0,0001
758.680
Dirty
Type
Bypass Seal
Arrangement
Expansion Joint No.
Rho-V2-Inlet Nozzle
Gaskets - Shell Side
Floating Heat Cover
Code Requirements
Weight per
kg
shell
Notes
OD,
mm
OD,
mm
ID,
mm
Thick
30
0,7
80,0
0,58
10,3
841
Design/Test Press
kPa(g)g
Design Temperature °C
No. Passes per Shell
1
1
Corrosion Allowance mm
In
DN
#N/D
Connections
Out
#N/D
Size & Rating
Intermediate
Tubes
No.
28 OD,
19,05 Gauge 14
mm
38
44
0,7
0,8
Construction Data for One Shell
Shell Side
Tube Side
Shell
42
43
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Thermal Conductivity W/m°C
Latent Heat
kJ/kg
Inlet Pressure
kPa(g)g (inlet)
Velocity
m/s
Press Drop
kPa(g)
Allow/Calc
Fouling Factor
m²-°C/W
Heat
W
Exchanged
Service Coeff.
W/m²-°C
36
37
40
41
Intercambiadores de calor: termovinificación
2,9
0,0001
LMTD (corrected) °C
69,91
Clean
1.012
Sketch
#N/D
#N/D
Length, m
8
Material Cr-alloy (0.5% Cr)
539,7511 Material
% Cut (d)
Pitch
layout,
deg.
Pitch ratio
90
1,33
Channel Cover
Impingement Protection
25%
Spacing C/C, mm
254,00
Seal Type No
UBend
NA
Type
Tube-Tubesheet Joint
Type
#N/D
#N/D
Bundle Entrance
Filled w/water
#N/D
Tube Side
Supports
TEMA Class
#N/D
Bundle
Exit
#N/D
Bundle
#N/D
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Intercambiadores de calor: termovinificación
5. Comprobación con cálculos teóricos
En este punto se va a comprobar cuán cercano queda el cálculo de dimensionamiento anterior,
a la opción teórica. Es importante tener en cuenta que los siguientes cálculos se realizan en
condiciones de idealidad por lo que es esperable que sean distintos siempre que estos e
encuentren en una diferencia razonable.
Calor intercambiado entre los fluidos, tanto para el caliente como para el frío:
Esta cuenta da como resultado un Qf=641470J/s que son 641,5 KW aproximadamente. Por otro
lado, el Qc=744177,8 J/s que serían 744,2 KW. En este punto, es cierto que se diferencian entre
sí, por lo que podría ser revisable utilizar menor caudal de agua o disminuir la temperatura inicial
con la que entra este fluido.
El siguiente paso es calcular el coeficiente de transmisión de calor U según la siguiente fórmula:
Los distintos parámetros se obtienen mediante estos cálculos:
𝛥𝑇𝑙𝑖𝑚 =
𝛥𝑇1 − 𝛥𝑇2
= 67,96°𝐶
𝛥𝑇
𝐿𝑁 ( 1 )
𝛥𝑇2
El factor F se obtiene de las gráficas a disposición de los alumnos en la teoría de la asignatura:
𝑅=
𝑇𝐸𝐶 −𝑇𝑆𝐶
=0,98
𝑇𝑆𝐹 −𝑇𝐸𝐹
𝑇
−𝑇
𝑃 = 𝑇𝑆𝐹 −𝑇𝐸𝐹 =0,481
𝐸𝐶
𝐸𝐹
De lo que se
aproximadamente.
obtiene
un
F=0,8
Despejando ahora U:
𝑄
𝑈 = 𝐴⋅𝐹⋅𝛥𝑇
𝐿𝑚
744177,8
= 13,4∗0,8∗67,96 = 𝟏𝟎𝟐𝟏, 𝟒𝟕 W/m2 °C muy cercano a los resultados tras las
iteraciones que eran una hipótesis de 1000 W/m2 °C y un resultado en el Excel de 1012 W/m2 °C.
La eficiencia de el intercambiador, entendida como 𝜀 =
𝑞
𝑇 −𝑇
= 𝑆𝐹 𝐸𝐹 = 0,5
𝑞𝑚𝑎𝑥
𝑇𝐸𝐶 −𝑇𝐸𝐹
, podría
mejorarse ciertamente, de hecho, una vez ajustada la cantidad de agua y rebajando la
temperatura de entrada con la que se introduce el agua caliente, se podrían obtener, realizando
una cuenta aproximada valores cercanos a 0,6.
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Intercambiadores de calor: termovinificación
6. Bibliografía
Azaeno enología viva. (s.f.). Azaeno enología viva. Obtenido de
https://www.az3oeno.com/shop/maquinaria/vinificacion/termovinificacion
pellenc. (2022). pellenc. Obtenido de https://www.pellenc.com/es-es/nuestrosproductos/desde-el-vinedo-hasta-la-bodega/vinicultura/termovinificacion/flashdetente
Perapellenc. (s.f.). Obtenido de https://www.perapellenc.com/espanol/termo-vinificacionflash-detente.asp
Bowman. (s.f). Obtenido de https://ej-bowman.com/es/centro-de-conocimiento/what-iscounter-flow-why-is-it-more-efficient/
EDIUNS. (2022). Obtenido de
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved
=2ahUKEwiajs_uh4r3AhX58LsIHWDRBbwQFnoECCsQAQ&url=https%3A%2F%2Fediuns.com.ar
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