GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 1 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

LABORATORIO DE OPERACIO ES U ITARIAS II GUÍA DE LABORATORIO

SEMESTRE 2010-1

I TERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

1. OBJETIVOS GE ERAL

• Conocer funcionamiento, uso y aplicación de los intercambiadores de placas

ESPECÍFICOS

• Analizar los datos experimentales obtenidos para la eficiencia del intercambiador de placas.

• Analizar los mecanismos de transmisión de calor presentes tras la experiencia.

• Hallar el coeficiente global de transferencia de calor y el área de transferencia, empleando las ecuaciones adecuadas para el intercambiador de placas.

2. MARCO TEÓRICO

Los intercambiadores de calor son empleados en procesos industriales, con el fin de recuperar calor, acondicionar el aire, obtener calor y poder, entre otras aplicaciones. Dichos equipos también son importantes para la refrigeración electrónica y asuntos ambientales como polución térmica, eliminación de residuos y desarrollo sostenible. Los intercambiadores de placas a pesar de ser clasificados como los intercambiadores de más pequeño tamaño, ofrecen muchas ventajas y características de aplicación únicas sobre algunos de los intercambiadores con un tamaño más grande y de mayor complejidad, además de ser uno de los tipos de intercambiador más usado y aplicado industrialmente. El diseño de los intercambiadores de placas tiende a ser altamente especializado en características de rendimiento, construcción y características de aplicación.

CARACTERÍSTICAS:

Las características estructurales del intercambiador de placas ofrecen ciertas ventajas sobre los intercambiadores de tubos y coraza. Estas incluyen lo siguiente:

El número de placas depende del caudal, de las propiedades físicas de los fluidos, la pérdida de carga y las temperaturas de los fluidos. La corrugación de las placas favorece la turbulencia del fluido y contribuye a que las placas resistan la presión diferencial, además promueven una mayor transferencia de calor. El peso y volumen del intercambiador de placas son aproximadamente sólo el 30% y 20%, respectivamente, del volumen y el peso de un intercambiador de tubos y coraza, lo que es otra ventaja para estos. Las placas de intercambio térmico y placa de presión están suspendidas en una barra guía superior y se apoyan en una barra guía inferior. Ambas barras están fijas a una columna de soporte. El coeficiente de transferencia de calor obtenido es significativamente alto comparado con el que se obtiene con los intercambiadores y de tubos y coraza.

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 2 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

.

Ilustración 1. Representación esquemática de la recirculación y de los torbellinos causados por las ondulaciones superficiales de los platos [1].

Debido a sus altos coeficientes de calor, los intercambiadores de calor son capaces de operar bajo cambios de temperaturas muy cercanas a 1ºC. Como resultado de ello, se puede alcanzar hasta el 90% de recuperación de calor. Por lo tanto, los intercambiadores de placas son adecuados para la recuperación de calor de fuentes de calor de bajo grado.

En los intercambiadores de placas, se pueden combinar platos con diferentes superficies. Esta flexibilidad permite optimizar las condiciones de operación del intercambiador de placas.

Estas son algunas de las ventajas que presenta el intercambiador de placas en comparación con uno de tubos y coraza. En general, el intercambiador de placas es bastante competitivo comparado con otro tipo de intercambiadores, debido a sus amplias y diferentes aplicaciones. Sin embargo, la aplicación de los intercambiadores de calor se ve limitada por las condiciones relativamente bajas de temperatura y presión del fluido. Esto se debe principalmente al material de las empaquetaduras que no pueden soportar la alta presión o temperatura o la corrosión del fluido.

CRITERIOS DE DISEÑO

Ilustración 2. Definición de la configuración de parámetros y un ejemplo de configuración [1].

Para el diseño de un intercambiador de Calor de Placas es necesario tener en cuenta las ecuaciones básicas para así plantear el modelo matemático. Estas ecuaciones son por lo tanto similares a las de cualquier tipo de intercambiador de calor. Estas ecuaciones son:

Balance global de energía:

Este balance se basa en el hecho de que el flujo de calor cedido por el fluido de caliente es absorbido por el fluido frío, aumentando así su temperatura:

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 3 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

Ecuación de transmisión de calor:

Para un sistema conformado por 4 placas la ecuación de transmisión de calor está dada por:

En donde solo en dos placas se da la transferencia de calor tal como se muestra en la ilustración 3, siendo U el coeficiente global de transmisión de calor, el área de una placa y la diferencia de temperaturas

media logarítmica, que se toma como si los fluidos circulasen en contra corriente.

Ilustración 3. Unidades elementales de un intercambiador de placas [1].

Para sistemas más complejos, conformados por un número mayor de placas, la ecuación se transforma en:

En la que , es el área total de transmisión de calor del intercambiador, la cual es el producto del área de

una placa por el número total de placas donde existe transmisión de calor entre los fluidos. Estas placas también son llamadas “placas térmicas” (Las placas de los extremos del intercambiador y las intermedias de distribución de fluidos no son térmicas:

Además de esto, el factor F hace referencia a un factor de corrección para la diferencia de temperatura media logarítmica, cuyo valor depende del sistema de paso de los fluidos y del número de unidades de transferencia.

APLICACIO ES:

Servicio de calentamiento y cogeneración:

En un espacio interior, la mayoría de las veces se necesitan los procesos de calentamiento para proveer un ambiente confortable. Sin embargo, las necesidades de calentamiento ahora son altamente requeridas en otros servicios tales como aguas de cañería, piscinas e invernaderos. Todas las aplicaciones de calentamiento se dividen en dos categorías, servicio de calentamiento y calentamiento de zonas basadas en algunas diferencias

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 4 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

mayores. Una gran variedad de fuentes de calor se pueden emplear, tales como geotérmicas, plantas de cogeneración y sistemas de recuperación de calor de desecho. Con una gran variedad de aplicaciones, los intercambiadores de placas pueden funcionar como intercambiadores o condensadores en procesos de generación de potencia. Un ejemplo lo dan las plantas de cogeneración en las que básicamente se dan dos productos finales: energía eléctrica y calor. En estos procesos se necesita de un condensador y un intercambiador de calor que lleven el calor producido por la planta al edificio y su posterior retorno tal como se muestra en el siguiente diagrama.

Ilustración 4. Esquema del un proceso de combinación de calor y poder o cogeneración [1].

Procesamiento de alimentos:

Los intercambiadores de placas son utilizados en procesamiento de alimentos, especialmente en la pasteurización de la leche debido a 2 factores destacados: primero, estos son muy fáciles de abrir para su limpieza y las placas hechas con un alto grado de acero inoxidable aseguran un mantenimiento estrictamente higiénico; segundo, los intercambiadores de placas al tener canales ondulados o corrugados, proporcionan grandes coeficientes de transferencia calor. Además debido a su simplicidad en tamaño proporcionan una reducción en el espacio requerido de instalación, al igual que ventajas en los costos sobre otros tipos de intercambiadores.

BE�EFICIOS DE MA�TE�IMIE�TO: Los pasajes de flujo del intercambiador de placas asegura una buena distribución del fluido donde la velocidad de flujo es más uniforme, y la alta turbulencia en ambos fluidos (frio y caliente) minimiza zonas de estancamiento o baja velocidad en el intercambiador de calor. Una mayor velocidad hace que la sedimentación sea más baja y crece la rata en tuberías y en el intercambiador de calor; esta baja tendencia de ensuciamiento del intercambiador de calor de placas ofrece ventajas al necesitar menos mantenimiento. Un intercambiador de placas debería ser abierto para su mantenimiento, no hay conexiones de tubería para ser removidas, y la superficie caliente es accesible para remover las piezas. Las placas no tienen que ser removidas durante la limpieza. Una alternativa de limpieza puede ser operar el sistema con detergentes químicos por un periodo corto de tiempo. El intercambiador de calor de placas no necesita inspección periódica, a menos que se esté afectando su normal funcionamiento, lo que reduce los costos de mantenimiento.

3. DESCRIPCIÓ� DEL EQUIPO Y MA�UAL

En la mayoría de las aplicaciones en la industria moderna, los intercambiadores de calor de placas han desplazado a los tradicionales de tipo multitubular o de tubos concéntricos, por varias razones; en primer término, debido a que los coeficientes de transferencia de calor son más elevados, lo cual hace que los equipos sean más prácticos y con menor tiempo de residencia de los fluidos; también, los intercambiadores de placas son fácilmente desmontables, con lo cual se puede proceder a su limpieza con mayor rapidez que en los otros tipos de intercambiadores.

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 5 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

Ilustración 5. Fotografía del Intercambiador de Calor de Placas del Laboratorio de Control.

Ilustración 6. Placas del Intercambiado de Calor de Placas.

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 6 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

DESCRIPCIÓ� DEL EQUIPO

Ilustración 7. Diagrama del Equipo.

B: Manómetro de Bourdon para medir la presión del vapor (Psi) R2: Rotámetro para medir el caudal de agua fría que viene del acueducto (L/s). T: Termoresistencias (ºC) IC 1: Intercambiador de calor de placas. IC 2: Intercambiador de calor de tubos y coraza. F1: Fluido de servicio del intercambiador de tubos y coraza. F2: Fluido de proceso de todo el sistema. F3: Fluido de servicio del intercambiador de placas

El equipo consiste en un intercambiador de calor de placas, el cual es usado como un enfriador. La instalación se completa con un tanque que contiene el fluido de proceso, provisto de su respectiva bomba y de válvulas para controlar el flujo. El fluido de proceso, inicialmente está frio y es representado por la línea azul (ver ilustración 7). Este fluido pasa por el intercambiador de tubos y coraza donde es calentado por el fluido de servicio de este intercambiador, vapor saturado, que llega a través de la caldera del piso inferior del laboratorio. La línea de vapor tiene su respectivo manómetro para medir la presión (línea verde). En el intercambiador de tubos y coraza el fluido de proceso es calentado (línea roja), para pasar posteriormente al intercambiador de placas donde será enfriado. El condensado proveniente del intercambiador de tubos y coraza sale de este y es recogido. En el intercambiador de placas, el fluido de servicio es agua fría proveniente del acueducto, la cual enfriará el fluido de proceso para este ser recirculado al tanque de alimentación. El equipo se opera con varios flujos distintos: dos fluidos de servicio (vapor y agua del acueducto) y uno de proceso, cada uno de los cuales está definido en el diagrama (Ilustración 7). Las lecturas de temperatura se efectúan en diferentes puntos de la tubería utilizando para ello termoresistencias. La mayoría de los caudales se miden con balde reloj, como el condensado de vapor del intercambiador de tubos y coraza, el agua enfriada del intercambiador en el tanque, agua del acueducto. La presión del vapor a la entrada del intercambiador de tubos y coraza se mide a través de un manómetro ubicado encima de la tubería de vapor. Para variar la frecuencia de la bomba se utiliza el siguiente dispositivo (ver Ilustración 8), con lo cual se pueden tomar diferentes datos.

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 7 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

Ilustración 8. Fotografía de variador de frecuencia de la bomba.

PRECAUCIO�ES:

� Al comienzo de la práctica se debe tener claro qué es lo que se realizará en la misma, y también el funcionamiento del equipo.

� Verificar el correcto funcionamiento de los dispositivos de control.

� Se recomienda una temperatura máxima de 95ºC (agua caliente que entra al intercambiador de calor con placas).

� Al iniciar la experiencia fijar, en primer lugar el flujo de fluido frío (tanto el de proceso como el del

agua de enfriamiento). Una vez que estén circulando a través del equipo, se procederá a fijar el flujo de vapor, teniendo en cuenta que la presión del vapor no puede exceder los 10psi.

� Controlar permanentemente que la presión de vapor no sobrepase su valor máximo de operación.

� Controlar el nivel de agua en el tanque de modo que éste no descienda demasiado, para evitar que la

bomba se quede sin alimentación.

� No tocar las tuberías de agua caliente, estas están pintadas de colores blanco-rojo-blanco en su trayectoria.

� Esperar para empezar a registrar los valores hasta alcanzar el estado estable.

� Nunca dejar al intercambiador de tubos y coraza (pre-calentador) únicamente con el paso de vapor.

� Al concluir la experiencia, cortar primero el flujo de vapor y dejar circulando el agua durante unos 10 minutos hasta que la temperatura del equipo haya disminuido a alrededor de 30ºC.

4. OME CLATURA I.P: Intercambiador de calor de placas. m: Flujo volumétrico del condensado, fluido de servicio del intercambiador de tubos y coraza. w: Flujo volumétrico del agua del acueducto del I.P t: Flujo volumétrico del agua del tanque enfriada, fluido de proceso del I.P M: Flujo másico del condensado, fluido de servicio del intercambiador de tubos y coraza.

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 8 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

T: Flujo másico del agua del tanque enfriada, fluido de proceso del I.P λ: Calor latente Cpi: Capacidad calorífica de la sustancia i

5. PROCEDIMIE�TO

• Leer y entender el manual del equipo, para un correcto funcionamiento y seguimiento de las

recomendaciones dadas.

• Identificar todas las partes que conforman el equipo, además de las entradas y salidas de cada fluido y las válvulas que componen cada tramo.

• Identificar cuales válvulas están cerradas y cuales están abiertas.

• Para que no haya un choque térmico muy grande, lo primero que se debe abrir es la válvula que controla el agua fría del tanque (fluido de proceso), la cual está cerca de la bomba.

• Luego se enciende la bomba por medio de un controlador, con el cual se puede escoger la frecuencia con la que se quiere trabajar (Ilustración 4). Así se permite el paso del fluido de proceso (agua del tanque). Dejar operar el sistema durante al menos 5 min.

• Se abre el agua que llega del acueducto, que es el fluido de servicio del intercambiador de calor de placas.

• Purgar el condensador de tubos y coraza antes de permitir el paso del vapor hacia dicho intercambiador.

• Por último se abre la válvula del vapor con precaución. La temperatura del fluido de proceso caliente no debe superar los 90°C y la presión del vapor no debe sobrepasar los 10 psi. Esperar de 5 a 10 min. para que el equipo se estabilice.

• Estabilizado el equipo, tomar los respectivos datos. Las temperaturas pueden ser registradas directamente del controlador y los termómetros ubicados en las tuberías o de manera manual, con la ayuda del termómetro y balde, en el momento de registrar los flujos volumétricos.

• Tomar los datos de temperaturas (se leen en el dispositivo de control de temperaturas). Una de estas es la temperatura del fluido de proceso que pasa del intercambiador de tubos y corazas al intercambiador de placas (T1), y la otra es la temperatura del fluido de proceso enfriado que sale del IC (T2).

• Las otras dos temperaturas, se toman por medio de termómetros instalados en la tubería. Una es la temperatura del agua caliente del acueducto que sale del IC (T4), la otra es del agua fría que entra del acueducto (T3).

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 9 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

• Se mide el flujo de la llegada de agua al tanque (t), el flujo de salida de agua caliente del acueducto (w) y se toma además el flujo de condensado (m). Estos tres flujos volumétricos se toman con balde/reloj.

• Estos pasos deben hacerse para dos frecuencias diferentes de la bomba, esta se modifica desde el controlador (ver ilustración 8), para cada frecuencia se usan dos configuraciones, de este modo:

Frecuencia 1 Frecuencia 2 Configuración 1-4 Configuración 1-4 Configuración 2-3 Configuración 2-3

Estas configuraciones se refieren a las válvulas que deben permanecer abiertas justo a la entrada del intercambiador de placas, y justo a la salida. Esto se da, debido a que el intercambiador tiene dos posibles entradas y dos posibles salidas.

Para cada configuración se deben registrar los datos explicados previamente.

• Para finalizar, se apaga el equipo de la siguiente forma: a. Cerrar la válvula que regula la entrada de vapor. b. Dejar el sistema funcionando durante un tiempo prudencial para enfriar el módulo. c. Cerrar las válvulas de entrada de agua tanto de servicio como la de alimentación. d. Apagar la bomba e. Apagar el indicador de temperaturas.

6. DATOS

DATOS TEÓRICOS

• Longitud de la placa: 46cm • Ancho de la placa: 5.4cm • Espesor: 0.07cm • Separación de placas: 0.218 cm • Espesor de la pared que separa los fluidos: x = 3 mm = 3x10-3m • Profundidad de corrugación: Dep = (2.1 mm) x 2 = 4.2x10-3m

DATOS EXPERIME�TALES

PRIMERA FRECUE�CIA DE LA BOMBA_________

CO�FIGURACIÓ�

Válvulas 1 y 4 abiertas Válvulas 2 y 3 abiertas

TEMPERATURA 1(°C) TEMPERATURA 2(°C) TEMPERATURA 3(°C) TEMPERATURA 4(°C) TEMPERATURA 5(°C)

FLUJO1(w) FLUJO 2 (m)*

FLUJO 3(t) PRESIO� DEL VAPOR ABS (psi)

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 10 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

SEGU�DA FRECUE�CIA DE LA BOMBA_________

CO�FIGURACIÓ�

Válvulas 1 y 4 abiertas Válvulas 2 y 3 abiertas

TEMPERATURA 1 TEMPERATURA 2 TEMPERATURA 3 TEMPERATURA 4 TEMPERATURA 5

FLUJO1(w) FLUJO 2 (m)*

FLUJO 3 (t) PRESIO� DEL VAPOR ABS

(psi)

*El flujo volumétrico del condensado (m), no varía al modificar la configuración.

• Lecturas de temperatura 1. Temperatura 1. Temperatura del agua caliente, fluido de proceso que entra al I.P. 2. Temperatura 2. Temperatura del agua fría, fluido de proceso que sale del I.P. 3. Temperatura 3. Temperatura del agua de acueducto fría, fluido de servicio que entra al I.P. 4. Temperatura 4. Temperatura del agua de acueducto caliente, fluido de servicio que sale del I.P. 5. Temperatura 5. Temperatura del agua en el tanque de almacenamiento

7. CÁLCULOS

• Calcular las pérdidas en el intercambiador de tubos y coraza. • Calcular el calor cedido por el agua caliente y el calor recibido por el agua de refrigeración en el

intercambiador de placas. • Calcular las pérdidas en el intercambiador de calor de placas. • Para cada configuración y para cada frecuencia de la bomba, calcular el coeficiente global de

transferencia de calor para el intercambiador de calor de placas. • Compare los resultados obtenidos y analice los resultados.

MODELO DE CÁLCULO

FLUJOS:

1. Para la pérdida de calor en el intercambiador de calor de tubos y corazas se utiliza la siguiente fórmula:

Donde los valores de λ y Cp se toman de las tablas de vapor.

2. Calor cedido y calor recibido en el intercambiador de calor de placas

Se usará la ecuación de calor sensible:

GUÍA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II Página 11 de 11

Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química

Usar los flujos másicos, capacidades caloríficas y cambios de temperatura apropiadas para el cálculo de los diferentes calores involucrados en el proceso.

Una vez calculados los calores, usar la siguiente ecuación que describe el calor transferido, con el fin de hallar U.

Donde:

• U= Coeficiente de Transferencia global de Calor

• N= Número de Placas en el Intercambiador de Placas

• Ap= Area de transferencia de calor de una placa

• F = Factor de corrección. Como aproximación, se tomará F = 1

• LTMD= Diferencia de Temperatura Media logarítmica

Diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

Donde:

Th,i= T1

Th,o= T2

Tc,o= T4

Tc,i= T3

BIBLIOGRAFÍA

1. L. Wang, B. Sudén, R. Manglik. Plate Heat Exchangers: Desing, applications and performance.WIT Press, 2007

2. www.comeval.es/pdf/cat_tec/intercambiadores_placas_A4.pdf -

3. Incropera, P de Witt, Fundamentos de Transferencia de Calor, Cuarta edición.