factor de ensuciamiento
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TRANSFERENCIA DE CALOR
FACTOR DE ENSUCIAMIENTO PARA UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
1 Danny Luis Moreno, 1Lorena Soto, 1Aura Ramirez, 1Crisitian Cuello, 1Carlos Arabia
1Estudiantes de Transferencia de Calor, Universidad de Córdoba
Resumen
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo y uso, como resultado de la acumulación de depósitos sobre la superficie de transferencia de calor.
El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre la superficie de transferencia. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la corrosión química. En este caso las superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas.
Después de conocer el factor de ensuciamiento de forma cuantitativa, podemos ver que es un valor muy bajo con respecto al equipo y su uso.
De forma analítica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se halló en el intercambiador de calor no representa un valor alto lo cual quiere decir que no ejerce una resistencia térmica considerable lo cual va a permitir que el intercambiador de calor trabaje de forma eficiente y no se produzcan pérdidas considerables de energía y calor.
Abstract
The performance of heat exchangers typically deteriorates with time and use as a result of the accumulation of deposits on the heat transfer surface.
The most common type of scale deposits is the precipitation of solids that are in a fluid on the transfer surface. Another way of embedding, which is common in the chemical process industry, is the corrosion and other chemical corrosion. In this case the surfaces are embedded in the accumulation of the products of chemical reactions on them.
After knowing the fouling factor quantitatively, we can see that is a very low value to the team and usage.
Analytically it can be said that the fouling factor was found in the heat exchanger is not a high value which means that it has no significant thermal resistance which will allow the heat exchanger to work efficiently and not occur in significant energy loss and heat.
Key words: performance, heat exchangers, deterioration, fouling factor
INTRODUCCIÓN
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo y uso, como resultado de la acumulación de depósitos sobre la superficie de transferencia de calor.
La capa de depósito representa una resistencia adicional para esta transferencia y hace que disminuya la velocidad de la misma.
El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre la superficie de transferencia. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la corrosión química. En este caso las superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas.
Los intercambiadores también se pueden incrustarse por el crecimiento de algas en los fluidos calientes, este tipo de incrustación se conoce como biológica, y se puede impedir mediante tratamiento químico. En las aplicaciones donde es probable que ocurra, la incrustación debe considerarse en el diseño y selección de los intercambiadores de calor; en esas aplicaciones puede ser necesario seleccionar un intercambiador más grande y por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de diseños de transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación.
OBJETIVOS
Determinar el factor de ensuciamiento o incrustación (RF) para un
intercambiador de calor de gancho a partir de datos obtenidos en el laboratorio
y los datos de diseño, para su posterior comparación con valores reportados en
la literatura.
MARCO TEÓRICO
Coeficiente de transferencia térmica global
Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un
intercambiador de calor de coraza y tubos consiste en evaluar el coeficiente global
de transferencia de calor entre las dos corrientes fluidas, el líquido y el vapor. Se
sabe que el coeficiente global de transferencia de calor entre un fluido caliente a
temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared de espesor
(re – ri, donde “e” es el exterior e “i” es el interior del tubo interno) se define
mediante la Ecuación 1.
UA = 1
1hc|i⋅Ai
+ln(r e/ri)2⋅π⋅k⋅L
+ 1hf |e⋅Ae
(1 )
En la práctica es necesario calcular los coeficientes de transferencia de calor
individuales, pero suele ser útil en las estimaciones preliminares el tener un valor
aproximado de U, típico de las condiciones que han de encontrarse en la práctica;
hay que tener en cuenta que, en muchos casos, el valor de U viene determinado
casi completamente por la resistencia térmica en una de las películas fluido/sólido,
como sucede, por ejemplo, cuando uno de los fluidos es un gas y el otro un líquido
o si uno de los fluidos es un líquido en ebullición con un coeficiente de
transferencia térmica muy grande.
Factor de ensuciamiento
Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor
global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de
funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el
funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van
produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie en la
que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones
calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, como se
muestra en la Figura 1; el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el
nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del
sistema; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito
de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose
únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios.
La resistencia térmica del depósito se puede determinar, generalmente, a partir de
ensayos reales o de la experiencia.
Figura 1. Transmisión de calor en un intercambiador de calor en tubos
concéntricos con incrustaciones calcáreas en el lado del agua.
Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten
después de que el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se
puede determinar la resistencia térmica del depósito (o factor de ensuciamiento,
RF Fouling en inglés) RSuc mediante la relación de la Ecuación 2.
RSucio = RFunc − RLimpio = 1U Func
− 1U Limpio
(2 )
El coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor
limpio puede hallarse con la Ecuación 3.
U Limpio = 1
1hce
+ Requiv +Ae
hci⋅Ai
(3 )
La expresión del coeficiente global de transferencia de calor UFunc (en
funcionamiento) al cabo de un tiempo, referida a la sección exterior Ae esta dada
por la Ecuación 4.
U Func = 1
1hce
+ Re + Requiv +Ri⋅Ee
A i
+Ae
hci⋅A i
(4 )
En la Tabla 1 se dan algunos ejemplos de factores de resistencia por
ensuciamiento normales que se aplican en la ecuación anterior.
Tabla 1 Factores de resistencia por ensuciamiento normales
Tipo de fluido Requiv (m2ºK/W)
Agua de mar y agua tratada para alimentación de una
caldera (por debajo de 50ºC)
0,0001
Agua de mar y agua tratada para alimentación de una
caldera (por encima de 50ºC)
0,0002
Agua de río (por debajo de 50ºC) 0,0002-0,0001
Aceite de motor 0,0009
Líquidos refrigerantes 0,0002
Vapor (no aceitoso) 0,0001
Fuente: INCROPERA, Frank y DEWITT, David. Fundamentos de Transferencia de
Calor. Prentice Hall. México 1999 (4° ed). ISBN 0-471-30460-3. p.585.
Aplicación de los intercambiadores de calor en la industria alimentaria
Los intercambiadores de calor tienen una amplia aplicación para los procesos
alimentarios, siendo elemento clave en procesos de esterilización, evaporación,
refrigeración, producción de vapor, etc.
Algunos ejemplos de su aplicación son:
Cristalizador de margarina en continuo Se suministran un tubo de reposo para la
sedimentación del producto y una unidad de enfriamiento de salmuera para la
refrigeración de proceso. Puede procesarse una variedad de emulsiones de aceite
Congelador en continuo para helados, Incorporación de aire vía un pequeño
compresor de aire y refrigeración.
Margarina, productos para untar y mantecas para pastelería, Rellenos de
repostería, Productos aireados, helados, sorbetes, Productos asépticos, salsas,
condimentos, alimentos infantiles, queso procesado.
MÉTODO EXPERIMENTAL
Equipo requerido
Para la realización de la práctica se necesitan los siguientes materiales y equipos:
Montaje del equipo de la Figura 2. Intercambiador de calor de ganchos Rotámetro para la medición de flujo del agua fría Suministro de vapor Tanque de almacenamiento de agua Bomba centrífuga 1 registrador de temperatura con un termopar tipo J.
PROCEDIMIENTO
En el laboratorio de operaciones unitarias de la UPB se usó un intercambiador de
calor de tubos concéntricos (el Intercambiador de Calor de ganchos) para el
calentamiento de agua con vapor de caldera. Operando el intercambiador con los
flujos de diseño se podrá determinar el factor de ensuciamiento (RF) a partir de las
condiciones dadas cuando el equipo estaba sin ningún tipo de resistencia debida a
incrustaciones en la tubería.
DATOS Y RESULTADOS
T° de entrada del agua 21Presión atmosférica 160,9 KpaÁrea de transferencia 0.4115 m2
ESPECIFICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
Voltaje de la Bomba (V) 110
Presión del vapor (Kpa) 161.65
Área de transferencia de calor (m2) 0,41156
Diámetro externo de la tubería (m) 0.0127
Diámetro interno de la tubería (m) 6.35*10-3
Área externa (m2) 1.26*10-4
Área interna (m2) 3.16*10-5
Datos obtenidos
Ent vapor Sal vapor Ent agua Sal aguaCaudal (m3/s) T1 (ºC) T2 (ºC) t1 (ºC) t2 (ºC)
0,00031 387.15 387.15 21 63.333
Propiedades físicas del agua a 21 ºC.
Densidad (kg/m3) 997,8
Calor Especifico (J/kg.ºC) 4181,6
FLUJOS EN CONTRACORRIENTE
Flujo masico = caudal * densidad
Flujo masico= 997,8 kg/m3 * 0.0003154 m3/s
Flujo masico= 0,3144 kg/s
Hallamos los calores Q, utilizando la siguiente ecuación
Q=m∗CP ( ∆T ) (2)
Donde:
Q= calor en W
m= flujo másico en kg/s
Cp= calor especifico del agua a 21ºC (Tabla 4)
∆T= t2 - t1 en ºC
Q=0,3144kg /s∗4181,6J /kg . ºC (336,48−294,45 ) K
Q=55186,33W
Calculamos la MLDT mediante la ecuación
LMDT=( t2−t 1 )−( t2−t 1 )
ln(T1−t1T1−t2 )
LMDT=(387.15−336.45 ) K−(387.15−294.45 ) K
ln( 387.15−336.45387.15−294.45 )K
LMDT=69.60 °C
Hallamos los Coeficientes Globales de Transferencia de Calor U, mediante la ecuación
U= QA∗∆T
Donde:
Q = Calor en WA = Área de transferencia de calor m2
∆T= MLDT
U= 55186,33W
0.4115m2∗69.60 °C
U=1926.87W /m2° C
Hallamos los Coeficientes de transferencia de Calor por convección internos hci y
externos hce, mediante la ecuación, para esto tomamos como:
Tw =183.2 ºC y T∞=21ºC
Hallamos una TF que nos sirve para hallar las propiedades físicas que son:
Densidad = 0.9407 kg/m3
Cp = 1009.21 J/kgºC
k = 0.031097 W/m ºC
µ = 2.189*10-5 kg/m.s.
Fuente. Yunus A. Çengel. Transferencia de Calor y Masa, McGraw Hill. México 2007. Tercera Edición. Apendice 1 tabla A-15 pagina 736.
h=Nu∗KD
Donde:Nu = numero adimencional de Nusselt.k = Conductividad Térmica W/m ºCD = Diámetro interno o externo de la tubería.
Flujo = velocidad * área
V=flujo/área
V=0 .0003154m 3/s /1.2667m2
V= 2.49 m/s
ℜ=VρDμ
ℜ=2.49
ms∗0.0254m∗0.9407kg /m3
2.189∗10−5kg/m .s .
ℜ=2807.84
Prandt (Pr) = 0.7104
Hallamos el número de adimencional de Nusselt mediante la correlación de
Gnielinski el cual sugiere que pueden obtenerse mejores resultados para flujo
turbulento en tubos lisos a parir de:
Nu=0 .0214 (ℜ0 .8−100 ) Pr0. 4
Nu=8.841
Coeficientes de transferencia de Calor por convección internos y externos.
h=Nu∗kD
hci= Nu∗kDi
hci=8.841∗0.031097W /m °C6.35∗10−3m
hci=43,16W /m2 °C
hce= Nu∗kDe
hce=8.841∗0.031097W /m° C0.0127m
hce=21.58W /m2 °C
Hallamos el Coeficientes Global de Transferencia de Calor limpio, mediante la
ecuación:
ULimpio= 11
hce+Requiv+
Aehci∗Ai
Donde:hce = Coeficientes de transferencia de Calor por convección externo.hci = Coeficientes de transferencia de Calor por convección interno.Ae = Área externa.Ai = Área interna.Requiv = agua de río por debajo de los 50 ºC(0.0001 m2ºC/W).
ULimpio= 11
21.58+Requiv+
1.26∗10−443.16∗3.16∗10−5
ULimpio=7.203
Hallamos el Coeficientes Global de Transferencia de Calor en funcionamiento,
mediante la ecuación:
UFun= 11
hce+ℜ+Requiv+
RiAeAi
+Ae
hciAi
Dónde:hce = Coeficientes de transferencia de Calor por convección externo.hci = Coeficientes de transferencia de Calor por convección interno.Ae = Área externa.Ai = Área interna.Requiv = agua de río por debajo de los 50 ºC(0.0001 m2ºC/W).
Fuente. INCROPERA, Frank y DEWITT, David. Fundamentos de transferencia de
Calor, Prentice Hall. México 1999. Cuarta Edición. Pagina 585.
Re y Ri = resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior e interior del
tubo. Respectivamente iguales a 0.0002 (W/m2ºC).
UFun= 11
21.58+ℜ+Requiv+
Ri∗1.26∗10−43.16∗10−5
+1.26∗10−4
43.16∗3.16∗10−5
UFuncionamiento=7.1724
Hallamos la resistencia térmica del depósito o el factor de ensuciamiento Rf
mediante la relación de la siguiente ecuación:
Rf = 1Ufuncio
− 1Ulimpio
(8)
Rf =0.000592
ANALISIS DE RESULTADOS
Al finalizar la práctica de laboratorio y obtener los cálculos adecuados, se puede
decir que un intercambiador de tubos concéntricos se evalúa el coeficiente global
de transferencia de calor en un flujo en contracorriente y así poder determinar el
factor de película ensuciamiento que se pueden adherir a la tubería y afectar el
rendimiento del intercambiador de calor
Con pruebas experimentales se determinó la resistencia térmica del depósito, así
mismo el rendimiento del intercambiador de calor, y el valor del factor de
ensuciamiento. Teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el
funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van
originando lentamente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se
realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas
procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que ésta
suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones.
Después de conocer el factor de ensuciamiento de forma cuantitativa, podemos
ver que es un valor muy bajo con respecto al equipo y su uso.
Se halló la resistencia térmica del depósito o el factor de ensuciamiento la cual fue
de Rf =0.0009.
De forma analítica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se halló en
el intercambiador de calor no representa un valor alto lo cual quiere decir que no
ejerce una resistencia térmica considerable lo cual va a permitir que el
intercambiador de calor trabaje de forma eficiente y no se produzcan pérdidas
considerables de energía y calor.
CONCLUSION
Con el tiempo a medida que vamos dándole uso a los intercambiadores de calor y
dependiendo de las clases de fluidos que transportemos por ellos se van formando unas
películas de suciedad en el interior de los tubos que provocan que se presente perdidas
de transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas
procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto de esta
suciedad presenta un gran problema para las industrias que utilizan los
intercambiadores de calor ya que provoca un aumento de la resistencia térmica
del sistema lo cual provoca pérdidas de eficiencia y energía; normalmente el
fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la velocidad
de crecimiento de las incrustaciones, limitándose únicamente a garantizar la
eficiencia de los intercambiadores limpios.
La resistencia térmica del depósito se puede determinar, y generalmente muchos
de los fluidos que son usados para el intercambio térmico se les conoce el factor
de ensuciamiento lo cual ayuda a minimizar las pérdidas que se puedan presentar
por su uso, a partir de ensayos reales o de la experiencia.
De la anterior práctica se puede decir que el factor de ensuciamiento que se
encuentra en las tuberías no es, una resistencia térmica considerable, ya que es
muy bajo permite un funcionamiento con una eficiencia alta del intercambiador de
calor.
BIBLIOGRAFÍA
Frank Incropera, David DeWitt. Fundamentos de Transferencia de Calor.
Prentice Hall. México 1999 (4° ed). ISBN 0-471-30460-3. 888 pp.
Donald Q. Kern. Procesos de Transferencia de Calor. McGraw Hill. México
1999. ISBN 968 26-1040-0. 981 pp.
Frank Kreith y Mark Bohn. Principios de Transferencia de Calor. Thomson
Learning. México 2001 (6° ed). 700 pp.
Lienhard IV, John H. and Lienhard V, John H. A heat transfer textbook.
Third edition. Cambridge,MA. 2005.