Instituto Tecnolgico de Quertaro

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Tema: Banco de Transferencia de Calor deTubos y Coraza del Instituto Tecnolgico de Quertaro 2014-2015

Por:Juan Carlos Vzquez Aarn Gudio TALLER DE INVESTIGACIN IDelimitacin del temaTEMA: Intercambiador de calor de tubos y corazaQue: Rendimiento, aplicaciones, funcionamiento, diseo, manufactura, viabilidad.

Anlisis FODAFortalezas-Aplicacin de los conocimientos bsicos de transferencia de calor para la seleccin, diseo, mantenimiento y control de equipos de intercambio de calor.-Clasificar los equipos de intercambio de calor de acuerdo a su funcin y configuracin definiendo los parmetros bsicos para su diseo-Seleccionar el equipo ms adecuado para una aplicacin particular.-Es el ms utilizado en la industria.-Elimina partes potenciales de fugas-Se puede usar para altas presiones y fluidos txicos.

Debilidades-Gran cantidad de tiempo requerido para llegar hasta las temperaturas finales.-Requiere un espacio adicional de al menos el doble de su longitud para inspeccin, mantenimiento o modificacin.-Elevado factor de ensuciamiento-Gran tamao y peso-Baja transferencia de calor

Anlisis FODAAmenazas

-La combinacin de temperaturas y coeficientes de expansin de la carcaza y los tubos durante el servicio causan una expansin diferencial que si no puede ser absorbida por el equipo es recomendable usar otro intercambiador.-Sin Flexibilidad (posibilidad de ampliar el rea de transferencia de calor)

Oportunidades

-Minimizar las prdidas de calor hacia el entorno.-Utilizacin de piezas aislantes de fcil instalacin sobre tuberas y otros equipos.-Transferencia de calor sin combustin

Definicin del problemaLos intercambiadores de calor son elementos de amplia y necesariautilizacin en todas las reas de la industria donde se requiere calentar oenfriar fluidos. Dentro de la gran variedad de intercambiadores de calor quese construyen esta en gran mayora el intercambiador de tubos y coraza como es el que se utiliza para poner en practica los conocimientos del estudiante dentro del Instituto Tecnolgico de Quertaro. Estos a pesar de ser de los mas comunes presenta algunas desventajas que nos gustara reducir como su eficiencia trmica ya que se le da poco mantenimiento y podra mejorar con el uso de distintos materiales en sus componentes por ejemplo agregndolos adems al manual original brindado por el C.R.O.D.E. Celaya para dar datos mas precisos en sus respectivas practicas que se lleven a cabo en un futuro dentro del laboratorio de Ing. Mecnica.JustificacinEn la industria de la ingeniera, es de gran importancia la comprensin de las mquinas y mecanismos que estn en constante transferencia de calor para la solucin de problemas, diseo de automviles, plantas generadoras de gran cantidad de energa, refrigeracin y aire acondicionado, etc.Por esta razn para nosotros como estudiantes de Ing. Mecnica es de vital inters el aprendizaje, desde la teora hasta la prctica y proposicin de nuevas formas de analizar los problemas desde varios puntos de vista bien fundamentados.Esta investigacin esta propuesta como una forma ms de involucrar a los estudiantes de ingeniera en los procesos de transferencia de calor y como estos pueden ser puestos en prctica en la industria con otro intercambiador similar al del Laboratorio de Mecnica del I.T.Q.

ObjetivosGeneral: Optimizar el funcionamiento del Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza dentro del Instituto Tecnolgico de Quertaro.

Especficos:-Analizar cuando es conveniente el uso de un BTC de tubos y coraza en los procesos industriales.

-Comprender las etapas de funcionamiento del BTC de tubo y coraza.

-Evitar perdida de calor indeseada en los fluidos del BTC de tubo y coraza.

-Conocer el proceso de su diseo.

-Proponer una nueva serie de prcticas para adjuntar a su manual de referencia.

HiptesisEl modo correcto de proceder es obtener los valores para estos cuatro parmetros :DensidadCalor especficoConductividad trmicaViscosidadpara varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicacin. Cuanto mejor se entiendan las propiedades fsicas de los fluidos implicados, ms afinadas sern las modificaciones al diseo del intercambiador.Estado del arteSu origen se lo acredita a un prolfico ingeniero a mediados del XIX. Fue Ericson, quien en 1852 invent el cambiador de calor de tubos y carcasa, utilizndolo para el condensador de las mquinas de vapor marinas. Este se fundamenta en los principios de la termodinmica clsica, ciclo de Carnot (un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor de alta temperatura, lo cede a uno de baja temperatura, produciendo un trabajo sobre el exterior) (Martinez, 2000).

Vera Garca et al desarrollaron unmodelo simplificado para el estudio de intercambiadores de calor de tubo y coraza. A pesar de su simplicidad, el modelo demuestra ser til para el diseo preliminar de intercambiadores de calor de tubo y coraza que trabajan en los sistemas derefrigeracin completos y complejos. . (Vera Garcia, Garcia Cascales, Gonzalves Macia, Cabello, Sanchez, & Torella, 2010)

Jiangfeng Guo, Mingtian Xu, Lin Cheng en el ao 2009 aplicaron un nuevo concepto denominado "nmero del campo sinrgico" Este concepto lleva implcito dentro de s varios criterios de optimizacin, En este caso los autores tomaron el campo develocidad del flujo de calor y usaron el mtodo de los algoritmos genticos para resolver el problema de la optimizacin. (Guo, Xu, & Cheng, 2009)

M. Fesanghary, E. Damangir e I. Soleimani utilizan El mtodo de anlisis de La sensibilidad global mediante un algoritmo armnico de bsqueda para realizar la optimizacin de intercambiadores de calor de tubo y coraza. (Fesanghary, Damangir, & Soleimani, 2009)

En Brasil Andre L.H. Costa y Eduardo M. Queiroz en el ao 2007 Minimizaron el rea de transferencia de calor teniendo en cuenta variables de decisin para la optimizacion del intercambiador de tubos y coraza (Costa & Queiroz, 2008)

Marco TericoLa ciencia de la transferencia de calor est relacionada con la razn de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fros llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energa en los dos procesos es idntico La transferencia de calor es un proceso donde se transporta energa, ya sea en forma de trabajo o calor por los diferentes medios de contacto. Para ello, es indispensable que exista un gradiente de temperatura y un medio transmisor. Esta transferencia de energa obligatoriamente se rige a las leyes de la termodinmica. Por lo tanto el calor emitido desde un sistema a temperatura superior debe de ser exactamente igual al calor absorbido por un sistema a temperatura inferior.

Se debe tomar en cuenta que, existe una velocidad de transferencia de calor, la cual es conocida como flujo de calor y es la expresin de la energa trmica transportada por unidad de tiempo. Adems, se debe considerar la densidad de flujo de calor, que es la velocidad de transferencia de calor por unidad de rea.

Intercambiador de Tubos y CorazaEstos intercambiadores de calor contienen un gran nmero de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de ste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de estos, pasando por el casco. Es comn la colocacin de desviadoresen el casco para forzar al fluido a moverse en direccin transversal a dicho casco con el fin de mejorar la transferencia de calor, y tambin para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automviles y aviones debido a su peso y tamao relativamente grandes. Ntese que en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos.

Video de funcionamiento

ConduccinLa conduccin es la transferencia de energa de las partculas ms energticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energticas, como resultado de interacciones por contacto directo entre esas partculas.ConveccinLa conveccin es la combinacin de conduccin y transferencia de energa trmica a travs de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partculas calientes hacia reas ms fras en un medio material. Por lo comn un intercambiador de calor est relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared slida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por conveccin, despus a travs de la pared por conduccin y, por ltimo, de la pared hacia el fluido fro de nuevo por conveccin. Cualesquiera efectos de la radiacin suelen incluirse en los coeficientes de transferencia de calor por conveccin.

Como se muestra en la figura la red de resistencias trmicas asociada con este proceso de transferencia de calor contiene dos resistencias a la conveccin y una a la conduccin.Velocidad de transferencia de calor

Factor de incrustacinEl rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo como resultado de la acumulacin de depsitos sobre las superficies de transferencia de calor. La capa de depsitos representa una resistencia adicional para esta transferencia y hace que disminuya la velocidad de la misma en un intercambiador. El efecto neto de estas acumulaciones sobre la transferencia de calor se representa por un factor de incrustacin Rf el cual es una medida de la resistencia trmica introducida por la incrustacin.

Algunas formas de incrustacin se pueden evitar recubriendo los tubos metlicos con vidrio o usando tubos de plstico en lugar de los metlicos.Estructura

Diagrama de instalacin

Caractersticas Geomtricas

Diseo

Video DiseoVideo ResumenCronograma

BibliografaApud Omar Milln, Barrera Juan Manuel, Lara Cartas Enrique. Manual de Operacin y Practicas del Banco de Transferencia de calor, CRODE Celaya, Gto.

Zahid H. Ayub. A new chart method for evaluating single-phase shell side heat transfer coefficient in a single segmental shell and tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering N 25 (2005) pags. 2412-2420

Yunus A. Cengel. Transferencia de calor . Segunda Edicin. McGraw Hill/ INTERAMERICANA DE MEXICO, 2007.

Wolverine Heat Transfer Data Book, Preliminary Design of Shell and Tube Heat Exchangers, Doc. Pdf (ch02_5.pdf), http://www.wlv.com/products/databook/databook.pdf . Consultado el 27 de marzo de 2013

MFrank M. White. Mecanica de Fluidos. Sexta Edicin. S.A. MCGRAW-HILL / INTERAMERICANA DE ESPAA, 2008