UNIVERSIDAD EXPERIMENTAL POLITECNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO BARQUISIMETO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BARQUISIMETO, MARZO DE 2013

INTRODUCCION

La empresa INYMETAL, CA., es una empresa privada fundada en el 2005, por el Ing., Gerson Cárdenas (fundador y director Gral.), Se dedica a la manufactura de productos plásticos inyectados y extraídos, los cuales se distribuyen a las diferentes empresas para su inserción en diferentes procesos de manufacturas. Es así como la empresa posee un potencial importante para desarrollar otras tecnologías relacionadas con los procesos de plástico. Para realizar las piezas es utilizada una maquina de inyección, la cual posee un intercambiador de calor tubular de coraza.

El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.

En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica.

Para el caso de la empresa INYMETAL, CA, se estarán realizando los cálculos analíticos, donde se verificara si se está trabajando bajo los parámetros establecidos para una eficiencia máxima, en caso contrario se establecerán las correcciones pertinentes que deben hacerse en la empresa para lograr un máximo provecho del proceso de la maquina.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración,acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de unautomóvil, en el que el

fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire

que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el

interior del mismo.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben

diferentes nombres:

• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.

• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.

• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.

• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.

• Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de re-

ebullición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación

forzada, de caldera,...)

• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.

Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores decalor se encuentran las siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.

• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.

• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia elde menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

CLASIFICACION

INTERCAMBIADOR SERPENTÍN SUMERGIDOConstan de un tubo o ductodoblado en forma helicoidal, sumergida en un fluido el

cualpuede ser caliente o frio. Son debajo costo y fácil construcción.Consiste en un tubo pequeño queesta dentro de otro tubo de mayordiámetro, circulando los fluidos enel interior del pequeño y entreambos. Área de transferenciapequeña

INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBOConsiste en un tubo pequeño queesta dentro de otro tubo de mayordiámetro,

circulando los fluidos enel interior del pequeño y entreambos. Área de transferencia pequeña.

INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y HAZ DE TUBOSSon los intercambiadores másampliamente utilizados en laindustria química y con

lasconsideraciones de diseño mejordefinidas. Consisten en unaestructura de tubos pequeñoscolocados en el interior de uncasco de mayor diámetro.Constituido por una serie de tubosunos sobre otros, con espaciosentre si, los cuales sirven para elflujo correcto de corrientes, de altoo bajo calor

INTERCAMBIADORES DE CASCADAConstituido por una serie de tubosunos sobre otros, con espaciosentre si, los cuales

sirven para elflujo correcto de corrientes, de altoo bajo calor

INTERCAMBIADOR DE RECIPIENTES ENCAMISADOSSon dispositivos que constan decámaras independientes en dondeuna lleva el

contenido caliente y pordefecto la segunda llevara el fluidode menor temperatura.Están formados por placas juntadas, en donde se realiza latransferencia de calor. Estosdispositivos han reemplazado engran porcentaje a los multitubulares por su alto coeficiente detransferencia de calor.

INTERCAMBIADORES DE PLACAEstán formados por placas juntadas, en donde se realiza latransferencia de calor.

Estosdispositivos han reemplazado engran porcentaje a los multitubulares por su alto coeficiente de transferencia de calor.

 INTERCAMBIADORES DE PLACA Y ARMAZÓN

Consisten en placas estándares, que sirven comosuperficies de transferencia de calor y un armazón para suapoyo.

INTERCAMBIADORES DE ALETA DE PLACA CON SOLDADURALa superficie de transferencia de calor de aleta y placa secompone de una pila de

capas, cada una de las cualesconsiste en una aleta corrugada entre láminas metálicasplanas, selladas en los dos lados mediante canales obarras, para formar un paso para el flujo del fluido

 INTERCAMBIADORES COMPACTOS

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

EMPRESA INYMETAL

1. NOMBRE: Inymetal, C.A , Rif. J-31317892-6

2. UBICACIÓN: Carrera 13 final, galpón Nº 1, zona “Las Canarias” Yaritagua estado

Yaracuy.

INYMETAL, CA. Es una empresa privada fundada en el 2005, por el Ing, Gerson Cárdenas (fundador y director Gral), Se dedica a la manufactura de productos plásticos inyectados y extraídos, puede desarrollar otras tecnologías relacionadas con los procesos de plástico.

El proceso de moldeo por inyección consta de fundir un material para inyectarlo dentro de un molde a través de un pequeño orificio llamado compuerta. Este molde debe estar frío y cerrado a presión. Una vez que ha sido inyectado el material se enfría dentro del molde, se solidifica y se obtiene una pieza moldeada. 

Entre los materiales a los que se les aplica el proceso de moldeo por inyección se encuentran: - Metales- Materiales cerámicos- Plásticos 

En la actualidad, el moldeo por inyección aplicado al plástico es uno de los procesos más utilizados en la producción de piezas como juguetes, artículos de uso doméstico, partes de automóviles, componentes de aeronaves, entre otras. 

La producción de piezas de plástico por medio del moldeo por inyección representa varias ventajas, entre ellas: - Rapidez de fabricación de piezas- Alto nivel de producción- Gran variedad de formas en las piezas- Bajos costos de producción- Versatilidad en los diseños

MÁQUINA INYECTORA DE PLÁSTICO

La máquina con la que se lleva a cabo el proceso de inyección de plástico se llama inyectora de plástico. Su función es la de proveer de materia prima al molde que se encargará de darle forma y enfriarla. Como su nombre indica, la materia prima que utiliza esta máquina es el plástico. Básicamente, el funcionamiento de la máquina inyectora de plástico consta de tres principios: 

1. Se eleva la temperatura para fundir el plástico a un grato tal que pueda fluir cuando se le aplica presión. Este incremento de temperatura suele llevarse a cabo en una parte de la máquina conocida como barril. En este barril se depositan gránulos del plástico que, al calentarse, forman una masa viscosa y de temperatura uniforme. Es importante mencionar en este punto que el plástico no es un buen conductor de calor, por lo que el proceso de incremento de temperatura debe combinarse con un proceso de corte a velocidad para que sea más eficiente el fundido.

2. La masa viscosa que se obtiene de la fundición de los gránulos de plástico se inyecta por medio de un canal que irá disminuyendo su profundidad de forma gradual. De esta manera, la presión ejercida dentro de ese canal “empujará” la masa viscosa para que pase a través de la compuerta directamente al molde.

3. Dentro del molde, la masa viscosa es sometida a la presión del mismo hasta que se enfría y se solidifica. Ya en estado sólido, la pieza es retirada para su posterior decoración o empaque, según la finalidad. 

Cuando se obtiene una pieza ya solidificada, el proceso de inyección de plástico puede reiniciarse para continuar con la producción. 

Un aspecto importante del proceso de inyección de plástico es que no produce contaminación directa al no emitir gases contaminantes ni altos niveles de ruido.

La maquina observada en nuestra visita posee un intercambiador de calor de coraza y haz de tubos.

INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes

de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos

químicos.

General, el intercambiador coraza (carcaza) y tubo, consiste en una serie de tubos

lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza y representan la

alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor. Dentro de este tipo de

intercambiadores (de coraza y tubo), dependiendo a su construcción se puede conseguir

diferentes tipos como los son:

- Intercambiador de calor de espejo fijo: los intercambiadores de espejo fijo

se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo y la frecuencia de su

utilización se ha incrementado en años recientes. Los espejos se sueldan a la coraza. Por lo

común, se extienden más allá de la coraza y sirven como bridas a la que sujetan como

pernos los cabezales del lado de los tubos. Esta construcción requiere que los materiales de

la coraza y los espejos se puedan soldar entre sí.

- Intercambiador de calor de tubo en U: el haz de tubos consiste en un espejo

estacionario, tubos en U (o de horquilla), deflectores o placas de soporte y espaciadores y

tirantes apropiados. El haz de tubos se puede retirar de la coraza del intercambiador de

calor. Se proporciona un cabezal del lado del tubo (estacionario) y una coraza con cubierta

integrada, que se suelda a la coraza misma. Cada tubo tiene la libertad para dilatarse o

contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos. (losrehervidores de

calderas, los evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con

secciones ampliadas de la coraza para la separación del vapor y el líquido)

- El calentador de succión del tanque: contiene un haz de tubo en U. Este diseño se

utiliza con frecuencia en tanques de almacenamiento al aire libre, para combustóleos

pesados, alquitrán, etc., cuya viscosidad se debe reducir para permitir el bombeo adecuado.

- Intercambiador de anillo de cierre hidráulico: esta construcción es la menos costosa de

los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de la coraza y del lado del

tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separados por un anillo de cierre

hidráulico y se instalan en el espejo flotante.

- Intercambiador de cabezal flotante con empaque exterior: el fluido del lado de la

coraza se retiene mediante anillos de empaque, que se comprimen dentro de un

prensaestopas mediante un anillo seguidor de junta. Esta construcción fue utilizada con

frecuencia en la industria química; sin embargo, su empleo ha disminuido en los años

recientes.

- Intercambiador de cabezal flotante interno: el diseño de cabezal flotante interno se

utiliza mucho en las refinerías petroleras, pero su uso ha declinado en años recientes. En

este tipo de cambiador de calor el haz de tubos y el espejo flotante se desplaza (o flota) para

acomodar las dilataciones diferenciales entre la coraza y los tubos.

- Intercambiador de cabezal flotante removible: la construcción es similar a la del

intercambiador de cabezal flotante interno con anillo dividido de respaldo, con la excepción

de que la cubierta del cabezal flotante se sujeta directamente con pernos en el espejo

flotante. Esta característica reduce el tiempo de mantenimiento durante la inspección y las

reparaciones.

Este equipo se recomienda cuando se requieren grandes superficies de transferencia en forma económica y práctica. Las terminales de los tubos se encuentran montadas sobre placa, con lo cual el conjunto recibe el nombre de haz de tubos.

La coraza que contiene en su interior al haz, es cilíndrica, por lo que un fluido corre dentro de los tubos y el otro fuera de ellos y dentro de la coraza.

CONSTRUCCION:

Los materiales de construcción varían dependiendo del nivel de corrosión y erosión de los fluidos que se manejen pero una lista típica de materiales comúnmente empleados se da a continuación:

Acero al CarbónAcero al Carbón con especificación ASMECobre ComercialBronce NavalAcero Inoxidable 304Acero inoxidable 316Acero Inoxidable 316L

OBSERVACIONES:

El mantenimiento en estos equipos es muy sencillo, en términos generales se sugiere lo siguiente:

1.- Un intercambiador bien diseñado debe ser revisado cada año, haciendo una inspección visual del interior del equipo; antes de desarmar no debe olvidarse checar la instrumentación (una buena operación se refiere a instrumentación del equipo) para observar su caída de presión y el cambio de temperaturas, ya que esto puede indicar el estado en que se encuentra el equipo.

2.- Si se encontraran incrustaciones de sales, pueden ser removidas con una solución ácida hasta del 3%. Haciendo circular esta solución por los tubos durante 24 horas. Si la incrustación permanece, se pueden emplear productos comerciales que existen en el mercado.

CALCULOS

En conocimiento de la teoría que fundamenta el tema tratado podemos realizar

cálculos analíticos del intercambiador de calor de coraza y tubos, los cuales son los

siguientes:

PARA EL AGUA (c)

Presión es de 4 bar, es decir P = 58 Psi

Calor especifico del agua, CpC=4182J

kg∗℃

T C , I=14℃

T c ,0=26℃

Sabemos que

mC=ρQ

Donde

ρC=1000Kgm 3

y

Por tablas de Bomba (BOMBAGUA)

Tenemos que Q¿2,4LS=0,0024

m3S

Por lo tanto

mC=2,4KgS

PARA EL ACEITE (h)

Por tabla, tenemos que, Calor especifico del aceite hidráulico,

Cph=0,40KcalKg∗℃

=1,67KJ

kg∗℃

T h ,0=60℃

Entonces

mh=ρQ

Donde

ρ=920Kgm 3

Por tabla de bombas (BOMBAS BOSCH)

Q¿249

Lmin

∗1min

60S∗1m3

1000 L

¿0,00415m3S

Así

mh=3,818KgS

Ahora calculamos la eficiencia

ε= qqmax

Entonces

CC=mC∗CpC=( 2,4Kg

S )∗(4182J

Kg∗℃ )=10,0368KJ

℃∗S

Ch=mh∗Cph=( 3,818KgS )∗( 1670∗J

Kg∗℃ )=6,37606KJ℃∗S

Transferencia de calor del agua

q=C c (TC , 0−T C ,i) ¿ 10,0368KJ

℃∗S (26 – 14) ℃

q=120,4416KW

Transferencia de calor del aceite

qmax=Ch(T h, i−T C ,i) ¿ 6,37606KJ

℃∗S (60 – 14) ℃

qmax=293,29KW

Sustituimos los valores

ε=120,4416293,29

ε=0,4106

Finalmente la eficiencia es del 41,06%

CONCLUSION

La aplicación en el campo industrial de los intercambiadores de calor es muy variada y muy útil en los diferentes procesos de manufactura. En la actualidad, el moldeo por inyección aplicado al plástico es uno de los procesos más utilizados en la producción de piezas como juguetes, artículos de uso doméstico, partes de automóviles, componentes de aeronaves, entre otras.

Específicamente, en la empresa INYMETAL, C.A. el moldeo de piezas se hace por medio de una maquina de inyección, la cual funciona bajo la presion que aplica un piston hidraulico para inyectar en los moldes el plastico liquido y este adopte la forma del molde que tenga instalado en ese momento, el uso de un intercambiador de calor se hace necesario para disminuir la temperatura que adquiere el aceite durante el proceso de compresion primero por el calor generado durante el proceso de empuje del piston y segundo el generado por las resistencias termicas para calentar y fundir el plastico antes de ser inyectado. La importancia del control de la temperatura, surgue debido a que esto puede llevar al aceite hidraulico a perder propiedas de lubricacion necesarias para preservar o extender la vida util del sistema, si este llegase a trabajar a temperaturas fuera del rango establecido por el fabricante.

De acuerdo a los cálculos realizados la efeciencia del intercambiador de calor es de 41,06% el cual es un rango bastante aceptable para el desempeño de un intercambiador de calor dentro de las aplicaciones industriales.

Dentro del margen de las sugerencias y/o recomendaciones, es de atencion la temperatura de entrada del aceite hidraulico al intercambiador de calor, aunque se calculo su eficiencia la cual es aceptable, la temperatura sobrepasa el limite recomendado por el fabricante (55°C), es por ello que una forma de abordar este punto, puede ser colocar unos separadores en el tanque o deposito donde regresa el aceite hidraulico despues de realizar su trabajo en el circuito.

Bomba Centrifuga de Voluta

Maquina de Inyeccion de Plastico

Tapa del Intercambiador

Ducto de salida del Aceite Hidraulica

Del Intercambiador