DISEÑO DE SISTEMAS TERMOFLUIDOS
Una visión integradora

DISEÑO DE SISTEMAS TERMOFLUIDOS
Una visión integradora

Néstor Nabonazar Durango Padilla
Antonio José Bula Silvera

Vigilada Mineducación
www.uninorte.edu.co
Km 5, vía a Puerto Colombia, A.A. 1569
Área metropolitana de Barranquilla (Colombia)

www.edicionesdelau.com
Carrera 27 nº 27-43, Barrio Teusaquillo
Bogotá (Colombia)

© Universidad del Norte, 2016
Néstor Nabonazar Durango Padilla y Antonio José Bula Silvera

Coordinación editorial
Zoila Sotomayor O.

Diseño y diagramación
Álvaro Carrillo Barraza

Diseño de portada
Jorge Arenas

Corrección de textos
Henry Stein

Desarrollo ePub
Lápiz Blanco S.A.S.

Hecho en Colombia

Made in Colombia

LOS AUTORES

NÉSTOR NABONAZAR DURANGO PADILLA

Ingeniero mecánico, Universidad Industrial de Santander (Colombia). Magíster en Sistemas de generación de energía eléctrica, Universidad del Valle (Colombia). Se ha desempeñado en el área de mecánica de fluidos, máquinas hidráulicas, máquinas térmicas y sistemas de secado. Es profesor asociado de la División de Ingenierías de la Universidad del Norte (Colombia) y hasta el año 2010 fue coordinador del programa de Ingeniería Mecánica en la misma universidad.

ANTONIO JOSÉ BULA SILVERA

Ingeniero mecánico, Universidad del Norte (Colombia). Doctor y magíster en Ingeniería Mecánica, Universidad del Sur de la Florida (USA). Se ha desempeñado en el área de refrigeración y aire acondicionado, combustión, eficiencia energética y uso de energías renovables. Es profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Norte. Además, es investigador Senior de Colciencias y autor de más de 80 artículos en revistas y conferencias. A nivel industrial, es titular de cinco patentes y se ha desempeñado como director en más de 15 proyectos.

Contenido

Prefacio

Capítulo 1

INTERCAMBIADORES DE CALOR, IC

1. Tipos de intercambiadores de calor

2. Clasificaciones de los intercambiadores de calor

2.1. Según el contacto que haya entre los fluidos que se transfieren calor

2.2. Según la densidad del área de transferencia de calor: β m²/m³

2.3. Según la forma constructiva

2.4. Clasificación según el arreglo de los flujos

3. Consideraciones para el diseño

3.1. Fases del diseño de los sistemas termofluidos

3.2. Metodología del diseño de los intercambiadores de calor

3.3. Fases del diseño o selección de los intercambiadores de calor, IC

3.4. Consideraciones para el Diseño Térmico e Hidráulico

3.5. Efectos de la Velocidad Media

3.6. Efectos del Área de Transferencia de Calor

3.7. Efectos de la turbulencia

4. Diseño básico de recuperadores

4.1. Analogía del flujo de calor con los sistemas eléctricos

4.2. Coeficiente global de transferencia de calor U

4.3. Relaciones básicas entre parámetros y variables del IC

4.4. Diferencia media de temperatura logarítmica ∆Tml

5. Cálculo de un IC

5.1. Método de la diferencia media de temperatura logarítmica

5.2. Método ε - NTU

5.3. Método P- NTU

6. Caída de presión en intercambiadores de calor

6.1. Importancia de la caída de presión

6.2. Caída de presión en IC de placas aleteadas

6.3. Caída de presión en IC de tubos aleteados

6.4. Caída de presión en IC tubulares

6.5. Caída de presión en IC de placas

7. Consideraciones para la selección de IC

8. Preguntas y ejercicios propuestos

Referencias

Capítulo 2

SISTEMAS DE TRANSPORTE DE FLUIDOS: TUBERÍAS

1. Depósitos

2. Tuberías y accesorios

2.1. Especificaciones de los tubos

2.2. Diámetro económico

2.3. Ecuación de la energía

2.4. Pérdidas de energía en la tubería

2.5. Pérdidas en accesorios

2.6. Tuberías no circulares

2.7. Flujo compresible

3. Curva característica de un sistema de tuberías

3.1. Curva característica de una tubería simple

3.2. Curva característica de tuberías en serie

3.3. Curva característica de tuberías en paralelo

3.4. Tuberías ramificadas

4. Ejercicios propuestos

Referencias

Capítulo 3

MÁQUINAS DE FLUJO

1. Clasificaciones de las máquinas de flujo

1.1. Según la dirección del flujo de potencia

1.2. Según el principio de funcionamiento

1.3. Según la variación de la densidad del fluido en la máquina

2. Parámetros constructivos y de operación

3. Máquinas de flujo de desplazamiento positivo

3.1. Bombas de pistón

3.2. Bombas de diafragma

3.3. Bombas de engranajes

3.4. Bombas de rotor lobular Boerger lobe pumps

3.5. Bombas de paletas vane pumps

3.6. Bombas de tornillos

3.7. Bombas peristálticas

3.8. Características de funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo

4. Máquinas de flujo rotodinámicas (turbomáquinas)

4.1. Bombas radiales o centrífugas

4.3. Parámetros constructivos y de operación

4.4. Capacidad de aspiración. NPSH requerido

4.5. Bombas axiales

4.6. Semejanza de las máquinas de flujo rotodinámicas

5. Compresores

5.1. Definición de compresor

5.2. Clasificación. Tipos de compresores

5.3. Principio de funcionamiento

5.4. Curva característica

5.5. Retroceso o Bombeo (Surge)

5.6. Aumento de la presión y de la temperatura en el compresor

5.7. Estados termodinámicos asociados a la compresión

5.8. Ecuaciones para el cálculo termodinámico de una etapa de un compresor

5.9. Presiones intermedias en múltiples etapas

6. Ejercicios propuestos

Referencias

Capítulo 4

VÁLVULAS DE CONTROL

1. Capacidad de la válvula

2. Curva de caudal inherente

2.1. Válvula lineal

2.2. Válvula isoporcentual

3. Curva de caudal efectiva

3.1. Procedimiento para el trazado de la curva efectiva de una válvula instalada

3.2. Procedimiento para el trazado de la curva H-Q de una tubería provista de una válvula de control lineal o isoporcentual

4. Selección del tamaño de la válvula

4.1. Procedimiento para seleccionar una válvula para líquidos

4.2. Procedimiento para seleccionar una válvula para vapores y gases

5. Ejercicios resueltos

6. Ejercicios propuestos

Referencias

Capítulo 5

DISEÑO BÁSICO DE UN SISTEMA DE TERMOFLUIDOS

1. Determinación de los valores de las variables

1.1. Requerimientos generales de diseño

1.2. Propiedades de la carne para refrigeración

1.3. Calor a retirar de la carne

1.4. Esquema termodinámico

1.5. Refrigerante

2. Especificaciones de los intercambiadores de calor

2.1. Cuarto de refrigeración

2.2. Ciclo del refrigerante

2.3. Ciclo del agua de enfriamiento

2.4. Estimación de la Torre de enfriamiento

3. Especificaciones de las máquinas de flujo

3.1. Ventilador para aire de refrigeración

3.2. Bomba para el agua de enfriamiento

4. Problemas propuestos

Apéndice

Tabla A1. Constantes de las ecuaciones

Tabla A2. Coeficientes indicadores del tamaño de Reguladores tipo 1098-EGR

Tabla A3. Coeficientes indicadores del tamaño de válvulas de eje rotativo

Tabla A4. Coeficientes indicadores del tamaño de válvulas de globo, Diseño ED simple

Prefacio

Este libro se comenzó a escribir a finales de 2013 para que sirviera a los estudiantes de pregrado del programa de Ingeniería Mecánica como guía de estudio en el curso Diseño de Sistemas Termofluidos, de manera que facilite la comprensión de los conceptos, el entendimiento de las características principales de los procesos termofluidos y los ayude a calcular, dimensionar y seleccionar intercambiadores de calor, sistemas de transporte de fluidos y máquinas de flujo, consideradas por los autores como sistemas transversales en los procesos termofluidos.

Termofluidos es una de las dos áreas de formación de Ingeniería Mecánica. La otra área es Máquinas, la cual incluye materiales de ingeniería y procesos de manufactura. Las dos áreas se nutren de la formación básica en matemáticas y ciencias naturales, y a pesar de tener elementos comunes, por lo general se imparten en forma paralela a lo largo del plan de estudio en las escuelas de ingeniería. Al final de la carrera el estudiante tiene la oportunidad de realizar un trabajo de diseño con alcances y restricciones, tal como ocurre en el ejercicio profesional, en el cual debe integrar los conocimientos y habilidades adquiridos en las dos áreas de formación.

El curso Diseño de Sistemas Termofluidos y su análogo de la otra área, Diseño de Sistemas Mecánicos, inician en el estudiante la formación de las competencias para realizar diseños en ingeniería mecánica a partir de los temas de cada área.

Sin perder de vista que solo se trata de un ingeniero en formación, en el curso se le exige al estudiante la capacidad para analizar y sintetizar el enunciado de un problema, buscar información pertinente, tener dominio de los criterios fundamentales para tomar decisiones acertadas, formular y evaluar alternativas, y desarrollar y defender un diseño como solución a un problema real bajo restricciones reales dadas.

Para ayudar al estudiante a dar cumplimiento a este cometido, el libro sigue la secuencia temática del curso: Intercambiadores de calor, Transporte de fluidos, Máquinas de Flujo, y termina con un capítulo dedicado a las válvulas de control. En cada unidad temática se estudian las características, las clasificaciones y los criterios de selección de los dispositivos involucrados.

En paralelo con el desarrollo de los temas, los estudiantes realizan un trabajo en grupo relacionado con un problema real, presentan un informe de avance y el informe final, de los cuales reciben realimentación; después de entregar los informes se les pide que hagan una presentación oral de la solución encontrada al problema.

Este libro se constituye en una guía tanto para impartir las clases como para la realización del trabajo. Con este propósito, los ejercicios resueltos tienen relación con el entorno y con las restricciones que normalmente se encuentran en una situación real. Los ejercicios propuestos pueden ser reemplazados o complementados con otros que sean más adecuados al enunciado del trabajo que se proponga en un semestre académico. Se recomienda al profesor dejar problemas de solución abierta, similares a los resueltos, como ejercicio a los estudiantes.

CAPÍTULO 1

Intercambiadores de calor, IC

Este capítulo permite evaluar el desempeño de los intercambiadores de calor, de manera que se comprenda el proceso de diseño y se pueda seleccionar el IC más apropiado para que funcione en un sistema termofluido especificado, cumpliendo restricciones dadas.

Los temas que se tratarán son: Tipos de IC, Clasificaciones de los IC, Consideraciones para el diseño, Diseño básico de recuperadores, Cálculo de IC, Consideraciones para la selección.

1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

DEFINICIÓN

Un intercambiador de calor (IC) es un dispositivo usado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido o entre partículas sólidas y un fluido que están en contacto térmico y a diferentes temperaturas. Los flujos cambian su energía térmica, variando su calor sensible o su calor latente, o ambos.

Por lo general no hay trabajo realizado y se desprecia el intercambio de calor con el exterior. Algunos tienen generación de calor, por ejemplo, mediante fuente eléctrica o combustión.

APLICACIONES TÍPICAS

Los intercambiadores de calor son de uso común en los procesos de producción y están relacionados con las operaciones unitarias (básicas), como esterilización, pasterización, fraccionamiento, secado, destilación, concentración, cristalización, almacenamiento, transporte o control de un fluido en un proceso. Se usan para suplir las necesidades de:

– Calentar o enfriar un flujo.

– Evaporar o condensar un flujo simple o de múltiples componentes.

– Recuperar o rechazar calor de un proceso.

DENOMINACIONES ESPECIALES

Recuperadores o IC Directos:

– Son intercambiadores de calor en los cuales la energía térmica se transfiere por conducción de un fluido caliente a uno frío, a través de una pared que los separa.

– Los flujos no se mezclan ni se presentan fugas de los fluidos al exterior.

IC Indirectos de flujo periódico o regeneradores:

– Son IC en los cuales el intercambio de calor es intermitente.

– El elemento principal es una matriz móvil sinfín que es atravesada por el fluido caliente el cual cede calor a la matriz, y por el fluido frío, el cual se calienta a su paso por la matriz. O es una matriz estacionaria atravesada alternativamente por los fluidos caliente y frío.

– Se producen fugas debido a la diferencia de presión y a que existe movimiento relativo entre la matriz y los conductos que transportan los flujos caliente y frío.

– Ejemplo, el precalentador de aire Ljungstrom.

IC Indirectos de acople líquido:

– Son los IC en los cuales un líquido auxiliar permite el intercambio de calor entre los fluidos caliente y frío.

– Son dos intercambiadores directos conectados térmicamente mediante un líquido bombeado, el cual circula por el intercambiador caliente, donde toma calor, y por el intercambiador frío, donde entrega calor.

– Ejemplo, el sistema de refrigeración del automóvil convencional.

EJEMPLOS DE IC

Algunos intercambiadores de calor son muy comunes y se construyen en forma masiva de manera que adoptan nombres especiales:

– Intercambiadores de tubo y coraza.

– Radiadores de automóviles.

– Evaporadores.

– Condensadores.

– Precalentadores de aire (economizadores).

– Torres de enfriamiento.

– Intercambiadores con generación interna de calor mediante resistencia eléctrica o combustible nuclear.

– Intercambiadores de calor con combustión, como las calderas y los tubos radiantes.

– Intercambiadores con dispositivos mecánicos, como raspadores y agitadores en vasijas y reactores.

2. CLASIFICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor son muy diversos, por lo que se clasifican atendiendo diferentes criterios:

– Según la forma en que entren en contacto los fluidos que se transfieren calor.

– Según la densidad del área de transferencia de calor, β [m²/m³].

– Según la forma constructiva.

– Según el arreglo de los flujos.

2.1 SEGÚN EL CONTACTO QUE HAYA ENTRE LOS FLUIDOS QUE SE TRANSFIEREN CALOR

IC en los cuales el fluido caliente y el fluido frío entran en contacto:

– Fluidos inmiscibles: condensación de aceite con agua o con aire.

– Gas-líquido: torre de enfriamiento de agua, atomizadores.

– Líquido-vapor: desrecalentadores, desaireadores en plantas de vapor. Inyectores.

IC en los cuales los fluidos caliente y frío NO entran en contacto:

– Directos o recuperadores.

– Indirectos de acople líquido.

– Indirectos de flujo periódico, de matriz fija o giratoria.

– De lecho fluidificado.

2.2 SEGÚN LA DENSIDAD DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR: β m²/m³

IC Compactos

La compacidad es la relación entre la superficie de transferencia de calor y el volumen del intercambiador: Los intercambiadores de calor deben ser compactos cuando el coeficiente de transferencia de calor es bajo. Los IC compactos requieren que los fluidos sean limpios y que la presión y la temperatura de trabajo sean bajas; en ellos la caída de presión es alta. Los intercambiadores de calor se consideran compactos cuando:

– β > 700 m²/m³, si al menos uno de los fluidos es gas.

– β > 400 m²/m³, si ambos fluidos son líquidos.

La compacidad aumenta disponiendo aletas en la superficie de transferencia de calor o disminuyendo el diámetro hidráulico del flujo. Los intercambiadores de calor no compactos tienen efectividad menor que 60 %; son largos en la dirección del flujo.

2.3 SEGÚN LA FORMA CONSTRUCTIVA

Tubulares

– Anular o de doble tubo.

– Coraza y tubos (el flujo externo axial o radial a los tubos).

– Serpentín, tubo helicoidal, bayoneta - coraza.

IC de placas (PHE)

– Placas planas, corrugadas, en laminillas o en espiral.

– Con empaques, grabadas o soldadas.

IC aleteados, para incrementar b

– Placa aleteada.

– Tubo aleteado.

– Tubo de calor evaporador-condensador.

Regeneradores

– Matriz rotatoria.

– Matriz fija.

– Campana rotatoria.

2.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL ARREGLO DE LOS FLUJOS

Un paso

– Contraflujo.

– Paralelo.

– Cruzado: ambos flujos mezclados; uno mezclado; ambos flujos no mezclados.

– Separado y vuelto a encontrar (Split).

– Dividido (Divided).

Múltiples pasos (aumentan tanto la efectividad ϵ como también la caída de presión, ∆Dp):

– Flujo cruzado

Ambos flujos mezclados; uno mezclado; ambos flujos no mezclados.

En serie en contraflujo; en paralelo; combinado.

– Coraza y tubos: contraflujo-paralelo de nxm pasos; separado; dividido.

– De placas: nxm pasos.

3. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

En términos generales, el diseño tiene como propósito suministrar una descripción completa de un sistema, de una parte de él o de alguno de sus componentes. El diseño es la respuesta óptima a una necesidad u oportunidad de mejora; una característica importante de dicha necesidad es que no está completamente definida, por lo cual se deben hacer suposiciones, las cuales se deben verificar en el proceso para cumplir con las especificaciones de la solución. Así que el diseño es un proceso iterativo.

3.1 FASES DEL DISEÑO DE LOS SISTEMAS TERMOFLUIDOS

Un sistema termofluido tiene los siguientes componentes principales: (1) procesos de transferencia de masa y energía, (2) sistemas de transporte de fluido, (3) máquinas de flujo. Cada componente principal posee elementos secundarios.

El diseño particular de un sistema termofluido comprende las siguientes fases:

1. Identificación y formulación de la necesidad u oportunidad de mejora.

2. Especificaciones de la solución; formulación de los requerimientos y de las restricciones.

3. Presentación de alternativas y evaluación con base en criterios preestablecidos.

4. Diseño básico de los componentes principales: configuración, tipos, magnitudes.

5. Diseño de detalles: especificaciones de los componentes principales y secundarios.

6. Descripción de costos de adquisición y de operación. Optimización.

El proceso es iterativo. En cada fase se hacen suposiciones y se toman decisiones particulares; con base en los resultados parciales obtenidos se pasa a la siguiente fase o se retorna a una fase anterior.

Figura 1-3.1 Diagrama general del proceso de diseño de un producto, incluyendo las fases de elaboración y comercialización. (Cortesía Ing. Heriberto Maury)

3.2 METODOLOGÍA DEL DISEÑO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

En el proceso de diseño de un sistema termofluido, los intercambiadores de calor pueden ser objetos de diseño o de selección. Las especificaciones, requerimientos y restricciones del IC son determinados por las características del sistema termofluido al cual pertenece.

El diseño o selección de un IC tiene las siguientes características:

• Es un proceso iterativo.

• Depende de la función del IC en el sistema termofluido al que pertenece. De aquí se derivan los requerimientos y las restricciones técnicas, económicas y ambientales del IC, así como sus características operativas y funcionales:

- Para qué, cómo, cuándo y dónde va a funcionar.

- Propiedades fisicoquímicas de los fluidos de trabajo.

- Restricciones geométricas, ambientales y técnicas de los materiales.

- Condiciones de operación: funcionamiento vs. tiempo.

• Se requiere analizar y evaluar alternativas.

• Implica la documentación de la solución al nivel de detalles exigido por el interesado.

3.3 FASES DEL DISEÑO O SELECCIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR IC

El diseño o selección de un IC comprende las siguientes fases:

1. Definición de requerimientos, restricciones y criterios de diseño o selección del IC a partir del sistema termo fluido base.

2. Formulación de las especificaciones del IC.

3. Presentación y elección de alternativas: tipos de IC; arreglos del flujo.

4. Cálculo iterativo térmico e hidráulico: temperaturas de entrada y salida de los flujos, T; tasa de calor transferido, q; flujo másico; capacidades térmicas, C; parámetros de comparación, F, ε, NTU; conductancia térmica, UA; coeficiente global de transferencia de calor, UAp