UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

''EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL FENÓMENO DE ABSORCIÓN DE AMONIACO-AGUA DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

QUE UTILIZA UN INTERCAMBIADOR DE PLACAS COMO ABSORBEDOR"

TESIS

PRESENTADO POR:

Bach. ESPÍRITU CARHUANCHO, Ronal Vicente Bach. GALICIO CATAY, Franco Leonel

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO 'QUrMICO

HUANCAYO- PERÚ

2010

ASESOR:

1ng. Ms. VILCA MORENO ORLANDO

DEDICATORIA

A mi mama Lucia, por su perseverancia en cuanto al apoyo de mi educación, a mi papa Aníbal por su paciencia en mi formación, y a todos por ser entes motivadores de mi ego para mi formación profesional.

Ron al

A mis padres Adela y Elí quienes estuvieron a mi lado en los momentos más importantes de mi vida, por su paciencia, comprensión y apoyo incondicional en cada etapa de mi formación profesional.

Franco

AGRADECIMIENTO

Agradecemos en primer lugar a Dios, quien nos brinda vida, salud, inteligencia, guía y cuidado hasta hoy, que ha permitido hacer realidad nuestro deseo de lograr esta tesis, y de vivir en tu misericordia, tu amor, tus promesas, tu paz y seguridad en las pruebas que pondrás en nuestro camino.

Nuestro eterno agradecimiento queridos padres, por el sublime deseo de vemos realizados, y su apoyo incondicional. Este agradecimiento va más allá de las palabras, que solo el tiempo sabrá saldar.

Gracias a ustedes maestros, por guiamos en nuestra formación profesional, por vuestra paciencia, por vuestra simpatía, por vuestra comprensión, y recuerden que lo que ustedes han sembrado durante estos años, es con sabiduría; ya que pronto darán sus más exquisitos frutos.

Gracias a cada uno de nuestros amigos y compañeros, por vuestra simpatía y amistad, por sus bromas que cada día le daban un matiz cálido a nuestra vida estudiantil, gracias Facultad de Ingeniería Química por albergarnos en tus aulas, porque en tu seno crecimos y nos hemos formado

Finalmente; ¡Gracias a todos!. ... y .... ¡que Dios los bendiga!

LOS AUTORES

RESUMEN

En la literatura especializada se encuentra abundantemente estudio de sistema de refrigeración, sin embargo, estos no han sido aplicados aprovechando las energías residuales de sistemas, eliminados en sistemas que funcionan con agentes energéticos, ya que el uso frecuente como refrigerante siempre es agua, recurso agotable; así mismo los reportes especializados no informa sobre estudios de usos de la sustancia, para este fin el sistema gas amoniaco-agua como refrigerante.

En este contexto el objetivo del trabajo, ha sido evaluar experimentalmente el fenómeno de absorción en un sistema refrigeración. Para lograr este objetivo se ha aplicado un tipo de investigación explicativa con la finalidad de justificar la relación de las variables involucradas en el fenómeno; el diseño experimental ha sido el de optimización de variable mediante un método completamente aleatorizado con post prueba, utilizando ocho niveles para cada una de ellos; las variable a utilizar fueron, el coeficiente de transferencia de calor convectivo y la eficiencia del intercambiador de placas; la evaluación el fenómeno de absorción se hizo en función de la concentración del sistema de amoniaco-agua, el coeficiente convectivo de transferencia de calor.

De los resultados se observa que se infiere que a mayor concentración del sistema amoniaco-agua mejora el coeficiente de transferencia de calor convectivo, como consecuencia se incrementa la eficiencia en el intercambiador de calor.

El estudio se llevo a cabo en el L.O.P.U. de la facultad de ingeniería química de la U.N.C.P, se diseño y construyó un sistema de refrigeración por absorción de simple etapa, utilizando el par de sustancias amoniaco-agua (NH3-H20) donde el amoniaco actúa como refrigerante y el agua como absorbente.

Finalmente el estudio no queda abierto para ser aplicado en la determinación del fenómeno en su estado transigieren efluentes para su aplicación, que expliquen de la mejor manera el comportamiento de la absorción hasta alcanzar el estado estacionario, además ser aplicado en forma particularizada a sistemas de destilación, calderos, reactores, que generen fuentes residuales con energía.

TABLA DE CONTENIDOS

DEDICATORIA AGRADECIMIENTO RESUMEN

TABLA DE CONTENIDOS INDICE DE TABLAS INDICE DE FIGURAS INDICE DE ANEXOS SIMBOLOGIA UTILIZADA NOMENCLATURA EN GRIEGO INTRODUCCION

OBJETIVOS

CAPITULO I MARCO TEORICO

l. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN 1.1.- Intercambiadores de calor

1.1.1.- Tipos de intercambiadores de calor 1.2.- Proceso de absorción de amoniaco en agua

1.2.1.- Evaluación del fenómeno por absorción

1.2.2.- Coeficiente convéctivo de transferencia de calor 1.3.- Recipiente a presión

1.3.1.- Presión de operación (Po) 1.3.2.- Presión de diseño (P)

1.3.3.- Presión de trabajo máximo permisible 1.3 .4.- Tipos de recipientes

1.3.5.- Tipos de tapas 1.4.- Condensadores

CAPITULO II

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE EQUIPOS 2.1.- Diseño del recipiente a presión

2.2.- Cálculos del recipiente a presión

2.2.1- Construcción del recipiente a presión

11 111

IV VIl Vlll

IX

X Xll

XIV XV

1 3 3 13 13 16 18 18 18 19 19

20

24

26 29

32

2.2.2- Materiales y equipos para la construcción del equipo 2.2.3- Pasos de construcción del recipiente a presión

2.3.- Dimensiones y cálculos del intercambiador de placas 2.3.1.- Construcción del intercambiador

2.3.2.- Materiales y equipos para la construcción del equipo 2.3.3.- Pasos de la construcción del intercambiador

2.3.4.- Instalación del sistema de refrigeración CAPITULO III PARTE EXPERIMENTAL

3.1.- Determinación experimental del coeficiente de película 3 .l. l.- Calculo de temperaturas del intercambiador de calor 3.1.2.- Preparación de la mezcla

3.2.- Procedimiento del cálculo del coeficiente convéctivo 3.3.- Determinación experimental

3.4.- Procedimiento para el cálculo de la eficiencia 3.5.- Corridas experimentales

3.5.1- Procedimiento

3.5.2- Diagrama de flujo del sistema de refrigeración

CAPITULO IV

RESULTADOS Y DISCUSION 4.1 Cálculos del coeficiente convectivo

4.1.1 Determinación de la temperatura de saturación del fluido 4.1.2 Cálculo de las propiedades físicas del fluido

4.2 Calculo del coeficiente de película de la transferencia de calor para

33 33 34 34 34 34 36

37 37 39 40 41 41 41 42 43

44 44 45

el Hidróxido de amonio 46

4.2.1 Determinación de la temperatura de saturación del fluido frío 46 4.2.2 Cálculo de la densidad de flujo másico del vapor de agua 46 4.2.3 Cálculo del numero de Reynolds para el vapor de agua 4 7 4.2.4 Cálculo del número de Prandt para el hidróxido de Amonio. 48 4.3 Cálculo de las concentraciones de trabajo del sistema de refrigeración 48 4.4 Temperaturas de salida y de ingreso de los fluidos con el caudal 49

INDICE DE TABLAS

1.1 Comparación del refrigerante amoniaco -agua 3

1.2 Refrigerantes y absorbentes 17

4.1 Propiedades físicas del agua 45

4.2 Propiedades físicas del amoniaco. 47

4.3 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 1) 49 4.4 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 2) 49 4.5 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 3) 50 4.6 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 4) 51 4.7 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 5) 51 4.8 Datos experimentales de las temperaturas de salida y de ingreso

de los fluidos con el caudal de las corrientes. (Prueba 6) 53 4.9 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 1) 53

4.10 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 2) 53

4.11 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 3) 53

4.12 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 4) 54

4.13 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 5) 54

4.14 Datos experimentales del coeficiente convectivo de transferencia

de calor. (Prueba 6) 54

4.15 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 1) 56

4.16 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 2) 56

4.17 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 3) 56

4.18 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 4) 57

4.19 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 5) 57

4.20 Datos experimentales de la eficiencia máxima del intercambiador

de calor. (Prueba 6) 57

4.21 Datos experimentales del coeficiente convéctivo de transferencia

de calor y la eficiencia máxima del intercambiador (Prueba 1,2,3) 58 4.22 Datos experimentales del coeficiente convéctivo de transferencia

de calor y la eficiencia máxima del intercambiador (Prueba 4,5,6) 58

INDICE DE FIGURAS

1.1 Sistema simple de absorción de un frigorífico 2

1.2 Partes del intercambiador de placas 6

1.3 Modelo de flujo y arreglos 6

1.4 Recorrido de las corrientes en contracorriente en el

interior de las placas del intercambiador de calor 7

1.5 Disposición de las empaquetaduras 10

1.6 Expansión del refrigerante en una tubería 14

1.7 Proceso de absorción del amoniaco en agua 15

1.8 Proceso de absorción del amoniaco en agua 15

1.9 Balance de energía en un volumen de control 16

Proceso de formación de la interfase en la

1.10 absorción 16

1.11 Coeficiente convectivo en el seno de la interfase 16

1.12 Vista frontal Del recipiente a presión 18

1.13 Tipos de recipiente a presión 20

1.14 Ventilación en el serpentín de acero inoxidable 25

3.1 Vista lateral del intercambiador de calor 39

3.2 Vista lateral del recipiente a presión 39

3.3 Caldero pirotubular 40

3.4 Termocupla tipo analógico 40

3.5 Sistema de refrigeración por absorción 44

A.l A.2 A.3 A.4 A.5

B.l B.2 B.3 B.4

C.l C.2 C.3 C.4 C.5 C.6 C.7 C.8 C.9 C. lO C.ll C.l2

INDICE DE ANEXOS

ANEXOS A

TABLAS PARA DISEÑO

Procedimiento de cálculo del espesor del cuerpo cilíndrico Eficiencia de soldadura de acuerdo al tipo de unión

Esfuerzo de tensión de diversos tipos de acero

Tipos de tapas que se utilizan en el diseño de recipientes.

Tabla de viscosidades del amoniaco

ANEXOSB

TABLAS DE PROPIEDADES DEL AGUA Y VAPOR DE AGUA Propiedades termodinámicas del vapor de agua

Propiedades de agua saturada Propiedades del liquido saturado Presión de saturación del agua

ANEXOSC

CONSTRUCCION Y ACONDICIONAMIENTO DEL SISTEMA EXPERIMENTAL

Construcción del intercambiador de placas Bombeado del recipiente a presión

Soldado del cuerpo del recipiente a presión Prueba hidrostática

Conexión del termómetro analógico Instalación de las bombas

Instalación del intercambiador conjuntamente con termómetros Recorrido de los fluidos en el serpentín

Bombeado del agua amoniacal

Proceso de absorción en la unión de gas-líquido

Modo de distribución de las placas del intercambiador de calor Vista frontal del sistema de refrigeración por absorción

64 65 66 67 67

69 70 71 72

74 75 75 76 76 77 77 77 78 78 79 80

SIMBOLOGIA UTILIZADA

a' Área de sección transversal de un canal m2

a Área de sección transversal por cada paso

nl

Ce Capacidad calorífica del fluido caliente ^J

S°C

C¡ Capacidad calorífica del fluido frio _{- -}^J

KtC

cmin Capacidad calorífica mínima entre el fluido caliente y el fluido frio. ^J S°C

Cp Calor especifico del fluid de interés _- ^J

K{C

Cpc Calor especifico del fluido caliente - -^J

Kg°C

Cp¡ Calor especifico del fluido frio _- ^J

K{C

CM Concentración molar. _-^mol

L

D Diámetro interior del cuerpo cilíndrico pulg

De Diámetro equivalente m

e Espesor del material considerando el desgaste por corrosión mm ea Espesor del material sin considerar el desgaste por corrosión mm

E Eficiencia de soldadura (dada por tablas) adim

G Flujo másico ^kg

nlh

hA Coeficiente de película convéctiva del agua w

,Jo

e

hB Coeficiente de película convéctiva para el hidróxido de amonio w

,Jo

e

H Altura del cuerpo cilíndrico m

k Conductividad térmica w

rr[oc o

me Flujo másico del fluido caliente k gis

m¡ Flujo másico del fluido frio

o

kg/s

nP Numero de pasos. adim

M Peso molecular. ^{_ L}

mol

p Presión de diseño ^lb

pwi

Po Presión absoluta de operación ^lb

pulg

Pr Numero de prandtl adim

o KJ

Q Carga térmica o flujo de calor

S

QHp Caudal del fluido caliente L/h

GvH,oH Caudal del fluido frío Llh

o KJ

Qg Calor generado

S

R Radio interior pulg

Re Numero de Reynolds adim

S esfuerzo de tensión del material (tablas) - -^lb

pwg

tl Temperatura de entrada de la placa,

oc

t2 Temperatura de salida de la placa,

oc

te espesor del cuerpo cilíndrico pulg

tr espesor de la tapa. pulg

Tcl Temperatura del fluido caliente a la entrada del intercambiador

oc

Tc2 Temperatura del fluido caliente a la salida del intercambiador

oc

T¡1 Temperatura del fluido frio a la entrada del intercambiador

oc

T¡2 Temperatura del fluido frio a la salida del intercambiador

oc

NOMENCLATURA EN GRIEGO

Mm Diferencia logarítmica media de temperaturas entres placas

t:Jfc Calor latente de vaporización del fluido caliente (agua).

~max Eficiencia máxima

~max (%)Eficiencia porcentual

~mf'R0J%:Eficiencia promedio

p Densidad del fluido de referencia

J.1 Viscosidad

f.lw Viscosidad de trabajo

KJ kg.s

adirn adirn adirn k giL kg rn.s kg m.s

INTRODUCCION

Los sistemas de refrigeración por absorción resultan adecuados siempre y cuando se utiliza calor residual como fuente de energía, caso contrario resultaría mas eficiente un sistema de refrigeración por compresión.

Hasta hace poco el sistema de refrigeración por absorción resultaba prácticamente obsoleto debido a su bajo rendimiento en comparación con el sistema por compresión, la refrigeración por absorción vuelve a concentrar la atención debido a los múltiples problemas medio ambientales que afecta a la humanidad. Ya que este sistema aprovechar calor residual que proviene de efluentes que se desechan al ambiente, aprovechando esta energía "inservible".

Rafael G. Beltran (2000) realizo un estudio de un ciclo de absorción intermitente utilizando energía solar como fuente, indicándonos que utilizando un sistema de refrigeración por absorción se puede utilizar la energía solar como fuente de energía, logrando hasta un enfriamiento de -5 °C, corroborando que este tipo de sistemas puede trabajar con poco suministro de energía. Lee et al. (2002) realizaron un análisis experimental de un absorbedor de burbujas con un intercambiador de placas lisas utilizando NH3-H20; estos autores encontraron que el incremento del caudal de la solución afecta muy poco a la transferencia de masa, pero mejora la transferencia de calor. Considerando estas referencias se realizo el estudio en el sistema de refrigeración por absorción, donde la tesis se distribuye del siguiente modo:

En el capítulo I, se detalla los sistemas de refrigeración y algunos términos con los cuales nos familiarizaremos.

En el capítulo II, se describe el diseño y construcción de equipos que sirven para el acondicionamiento del sistema de refrigeración por absorción.

En el capítulo III, se describe la metodología de trabajo y las condiciones de operación del sistema.

En el capítulo IV, se calcula el coeficiente de película convectivo de las corrientes de trabajo en el intercambiador de calor.

En el capitulo V, se discuten los resultados, para llegar finalmente a las conclusiones y recomendaciones.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

• Evaluar experimentalmente el fenómeno de absorción de amoniaco-agua de un sistema de enfriamiento en un intercambiador de placas utilizando amoniaco como refrigerante.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

• Diseñar y construir un recipiente de presión que actúa como generador del gas refrigerante amoniaco.

• Acondicionar el sistema experimental constituido por el recipiente a presión e intercambiador de placas para el estudio del fenómeno de absorción, empleando como gas refrigerante el amoniaco en el Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú.

• Calcular el coeficiente convéctivo de transferencia de calor (h) en las placas interiores del intercambiador de calor a las condiciones de la ciudad de Huancayo-Junín.

• Evaluar el fenómeno de absorción en el intercambiador de placas que actúa como absorbedor utilizando amoniaco como refrigerante.

• Determinar la eficiencia del intercambiador de calor de placas que opera como evaporador utilizando amoniaco como refrigerante.

CAPITULO!

MARCO TEORICO

1.- SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION

Un método alternativo de refrigeración es por absorción. Sin embargo este método por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barata, por lo que la producción de frío es mucho más económica y ecológica, aunque su rendimiento es bastante menor.

En estos sistemas la energía suministrada es, en primer lugar, energía térmica. El refrigerante no es comprimido mecánicamente, sino absorbido por un líquido solvente en w1 proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superior mediante una simple bomba. La energía necesaria para awnentar la presión de un líquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energía necesaria para comprimir un gas en un compresor. Cuando la sustancia llega a su temperatura de ebullición, el refrigerante es evaporado, se produce la deserción del líquido solvente en un proceso endotérmico, o sea mediante calor. A partir de este punto, el proceso de refrigeración es igual al de un sistema de refrigeración por compresión.

Por esto, al sistema de absorción y deserción se le denomina también "compresor térmico". [1]

En este sistema de refrigeración por absorción, al igual que en el de compresión se aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. En el caso de los ciclos de absorción se basan fisicamente en la capacidad de absorber calor que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, al disolver, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua, respectivamente Figura 'ff> 1.1 muestra de forma esquemática el banco de ensayo de una planta frigorífica de absorción, que consta principalmente de dos circuitos principales: el de solución NH3-H20 y el de vapor de agua.

En detalle, el refrigerante se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina o incorporándolo a una masa líquida.

El resto de componentes e intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de absorción, se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el . líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de una manera continúa. [1]

Vá!wlade expansión

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1 t ________________________________ . - J 1 Figura N° 1.1: Sistema simple de absorción de un frigorifico Fuente: CANO MARCOS José Maria

El uso de sistemas amoniaco agua tienen ventajas y desventajas que se detalla en la Tabla 'ff> 1.1, siguiente:

Tabla N° 1.1 Comparación del amoniaco-agua en la aplicación como refrigerante en la absorción

AMONIACO (NH3) -AGUA

VENTAJAS INCONVENIENTES

• El refrigerante amoniaco tiene una alta • Presión muy alta del refrigerantes

capacidad calorífica (tuberías más gruesas)

• Aplicaciones de temperaturas muy bajas, • Volatilidad del solvente (es necesana

hasta -60

oc

una rectificación)

• Propiedades muy buenas de transferencia

• Toxicidad del amoniaco de calor y masa

Fuente: Elaboración propia

1.1 Intercambiadores de Calor

La palabra intercambiador se aplica realmente a todo tipo de eqúipos en el que el calor se intercambia, pero es más específicamente empleado para designar equipos en que el calor es intercambiado entre dos corrientes de proceso. Intercambiadores de calor en los que una corriente de proceso es calentada o enfriada mediante una corriente de suministro (agua o vapor) suelen llamarse simplemente enfriadores o calentadores. Si la corriente de proceso se vaporiza como producto de la entrega de calor el equipo recibe el nombre de vaporizador; se le llama rehervidor si está relacionado con una torre de destilación, y evaporador si se utiliza para la concentración de soluciones. [2]

1.1.1 Tipos de Intercambiadores de Calor

Los tipos de intercambiadores frecuentemente hallados en la industria son los de tubería doble, enfriados por aire, de tipo placa y, de casco y tubo.

a. Jntercambiadores de Placas

Ciertas condiciones lo hacen más atractivo que las unidades tubulares para las mismas aplicaciones. Entre las ventajas que ofrecen los intercambiadores de placas están:

• Mayor área de transferencia por unidad de volumen (ocupan menos espacio).

• Altas flexibilidades en el diseño de las áreas de transferencia y arreglos de flujos.

• Puede operar con más de dos fluidos.

• Alta turbulencia, produciéndose un coeficiente de película elevado y baja incrustación; lo cual lleva consigo una disminución en el área necesaria para la transferencia de calor.

• Bajas caídas de presión.

• Facilidad para extender o rearreglo de la unidad para incrementos o modificaciones de las cargas de calor.

• Facilidad de mantenimiento.

• Aproximación de temperaturas.

Los costos de capital y de operación, requerimientos de mantenimiento, peso, limitaciones de espacio, aproximación de temperaturas, niveles de temperatura y presión juegan roles críticos para la selección entre un intercambiador de placas y un intercambiador tubular. [2]

a.l) Características de los intercambiadores de placas a.l.l) Mantenimiento.

Los intercambiadores de placas ofrecen completa accesibilidad a todas sus partes para cualquier inspección, limpieza y reemplazo, y no requieren espacio extra para mantenimiento. La limpieza con aditivos químicos es comparativamente más fácil porque los canales de las placas debido a su configuración proporcionan un régimen turbulento para el flujo de limpieza.

Por la accesibilidad y facilidad de limpieza, el intercambiador de placas es particularmente satisfactorio para manipular fluidos con tendencié:l-, a formar incrustaciones y para· servicios que demanden frecuente limpieza. También el área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de pl~cas.

Fácil disponibilidad de repuestos, debido a que los componentes de los intercambiado res· d~ placas son generalmente estándares. Además un intercambiador de placas vacío, pesa mucho menos que un intercambiador de casco y tubo para las mismas cargas y ocupan menos espacio. [3]

a.l.2) Temperatura y presión.

Las diferencias de temperatura aprovechables para un intercambiador de placas pueden ser tan bajas como 1

oc,

haciéndolo ideal para alta recuperación de energía, mientras el límite práctico para un intercambiador de casco y tubo es alrededor de 5

oc.

Los coeficientes de transferencia de calor en un intercambiador de placas son más altos debido a la alta turbulencia del flujo en los canales, lo cual es conseguido con moderadas caídas de presión. Un intercambiador de placas es capaz de recuperar el 90 % del calor mientras que un intercambiador de casco y tubos operando económicamente puede recuperar solamente el 50%.

Las limitaciones de diseño, incluyen una presión máxima de 25 atm y temperaturas de alrededor de 300

oc.

La tendencia en el desarrollo de los intercarnbiadores de placas ha sido hacia grandes capacidades, altas temperaturas y altas presiones de operación. Estos intercarnbiadores están ahora disponibles en muchos tamaños de placas teniendo una variedad de modelos. [3]

a.l.J)Partes del intercambiador de placas.

Un intercambiador de placas consiste de una armazón y de placas corrugadas o ranuradas de metal. La armazón incluye una placa fija, una placa de presión y partes de conexión y presión. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazón. Las placas extremas no transfieren calor, solo las internas. [3]

En la Figura No 1.2 se muestra:

1 Armazón fija.- Se utiliza corno soporte del intercarnbiador de placas.

2 Conexiones de entrada y salida.- Se escoge de acuerdo al tipo de arreglo a emplearse.

3 Placa extrema inicial.- Placas externas, generalmente de un espesor mayor al de las internas debido a que soportan mayor presión.

4 Perno de ajuste.- Presiona al intercambiador de calor compactándolo.

5 Empaquetaduras.- De acuerdo al tipo de fluido a trabajar.

6 Placas térmicas.- Placas internas donde se realizan el intercambio de .calor.

7 Conexiones entre placas.- Canales donde circulan los fluidos.

8 Placa extrema de presión.- Placas externas, generalmente de un espesor mayor a de las internas debidas a que soportan mayor presión.

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11 ²

-

^l

Figura N°l.2: Partes del intercambiador de placas. Fuente: Luís Moneada Albitres

a.l.4)Modelo de flujos y arreglos

La distribución de flujo a través de las placas en conjunto, es determinada por los perfiles de presión en las dos diversificaciones (las diversificaciones de entrada y salida para cada corriente). En el arreglo en U los canales de entrada y salida para cada corriente están en la misma placa final, pero ellos están en las placas finales opuestas en el arreglo en Z (Figura 1.3). Los perfiles de presión en las distribuciones son determinadas por dos factores:

~ La fricción del fluido

~ Los cambios de velocidad del fluido

La velocidad del fluido disminuye a medida que va diversificándose el flujo de entrada y aumenta a medida que va diversificándose el flujo de salida.

Las variaciones en la presión debido a estos dos factores pueden ser en la misma dirección o en la dirección opuesta dependiendo de la diversificación de flujo de entrada y salida. [3]

!L Flujo en 5.erie b. Flujo en pan!!olelo

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Figura No 1.3: Modelos de flujo y arreglos Fuente: Luís Moneada Arbitres

a.1.5) Disposición de las placas.

En la Figura No l. 4 se muestra una serie de placas presionadas unas a otras, de tal manera que las corrugaciones forman estrechos canales para el flujo de los fluidos, lo cual siempre produce turbulencia aún a velocidades muy bajas. Las corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones. Un adecuado número de soportes también ayuda a minimizar los riesgos de deformaciones debido a las presiones. [3]

Figura N°1.4: Recorrido de las corrientes en contracorriente en el interior de las placas del intercambiador de calor Fuente: www.alfa-editores.com/...lalfa.gif

Usando las empaquetaduras según convenga, se puede arreglar el flujo en contracorriente y los flujos individuales pueden ser divididos en corrientes paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble sello entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios.

Los fabricantes han desarrollado sus respectivos tipos de placas para optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas unidas al diseño de la armazón, están relacionados al tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas). [2]

Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los materiales comunes de intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, níquel,

hastelloy C, monel, bronce al fósforo y cobre-níquel. Los materiales que poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión.

El espesor de las placas varía entre 0,5 a 3,0 mm. La distancia promedio entre placas (ancho de los canales) está entre 1,5 a 5,0 mm. Los tamaños de las placas varían entre 0,03 a 1,5 m². Las áreas de transferencia se extienden desde 0,03 hasta 1500 m^2• Los grandes intercambiadores de placas manejan flujos de hasta 2500 m³ /h.

Las velocidades que se utilizan normalmente en los intercambiadores de placas son menores que en los intercambiadores tubulares. El rango típico de velocidades va de 0,5 a 0,8 mis en un intercambiador de placas. La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de película a través de las cuales se transmite el calor. Así, mientras en los intercambiadores de placas la distancia media entre ellas puede variar entre 1,6 a 5,5 mm; en los intercambiadores de casco y tubos esta distancia media podrá variar entre 12,5 y 38 mm (tubos de lh a 1 Y2 ").

Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma encontraremos placas llamadas Soft que se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga y las placas llamadas Hard que inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción.

Estas últimas son de una geometría más complejas pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Las placas Soft en cambio, son más cortas y anchas.

Las placas Soft en general tienen un diseño en ángulo agudo ( chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos, en tanto que las placas Hard presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga. Combinando diferentes diseños de canales se podrán cubrir diferentes tipos de servicios. Las placas del tipo Hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas Soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor.

Como se expone más adelante, la aptitud o performance de las distintas configuraciones geométricas de las placas para transferir calor quedan expresadas por el llamado Número de Unidades de Transferencia de Calor

(NTU- Number Transfer Units). Así se observa que las placas antes definidas como Soft y Hard podrán ser caracterizadas por su correspondiente NTU. [2]

a. l. 6) Selección de empaquetaduras

Cada placa tiene una empaquetadura cuya función es efectuar un sello total y cerrar la trayectoria de flujo de uno de los fluidos en las corrientes de proceso.

Las empaquetaduras van en una ranura alrededor del perímetro de las placas y fijas a las mismas.

La disposición de las empaquetaduras debe hacerse de tal manera que se tenga un mínimo de estas áreas expuestas a los fluidos. Las empaquetaduras son hechas principalmente de elastómeros como el caucho natural, neopreno, y materiales plásticos como el teflón, etc.

Para altas temperaturas se pueden usar empaquetaduras de fibra de asbesto.

Estas resisten mezclas de compuestos químicos orgánicos y un rango de temperatura de operación del intercambiador alrededor de 200 °C.

La sección transversal de las empaquetaduras varía de acuerdo a los tipos de placas, siendo las más comunes las de sección trapezoidal u oval. El ancho es generalmente de 5 a 15 mm., dependiendo del espaciado. Debido a que las empaquetaduras no son muy elásticas comparadas con los plásticos, las placas y armazón deben estar diseñados para soportar grandes fuerzas de presión requeridas para el sellado. [3]

La Figura N° l. 5 muestra la disposición de las empaquetaduras para el sellado en las placas del intercambiador de placas y el recorrido de los fluidos que se puede optar el recorrido de los fluidos; ya sea en contracorriente o paralelo. Los empaques de neopreno soportan 180 °C y es no corrosible por el gas amoniaco, es flexible en el sellado de las placas del intercambiador de placas, el corte para la disposición de las corrientes se opta a la derecha o izquierda de acuerdo del fluido 1 y el fluido 2; ya que pueden transcurrir en forma paralela o en contracorriente.

Fluido 1

Fluido 2

Plac~

Figura N° 1.5: Disposición de las empaquetaduras. Fuente: Luís Moneada Arbitres

a.2) Calor cedido por el vapor (

Qv}

Es la velocidad de la transferencia neta de calor hacia adentro o hacia afuera del volumen del control.

o o o

Qv =meCpe(TC2 -Tc₁)+mc11Hc (1.1)

o o o

m¡ Cp₁(T₁₂ -T_{11 )} =me CpJTC2 -Tc₁)+me Me (1.2)

a.3) Calor especifico del fluido frio(Cp ₁ ).

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para aumentar 1

°

C la temperatura de un gramo de una sustancia

a.4) Flujo másico

(G).

Es la cantidad de masa circulante por unidad de área. [ 4]

Donde

G=m a

a'= (Areade seccion transversal de un canal) a= (a')(N°canales)

(1.3)

(1.4)

a. 5) Número de Reynolds (Re)

Permite predecir el carácter turbulento, transitorio o laminar del fluido que recorre en un conducto, no tiene unidades de expresión. [ 4]

(Re= De_!}_]

npJ.l

(1.5) Donde

n ^P =Numero de pasos.

f.1

=

Viscos idad

De

=

diametro equivalente

a.6) Cálculo del número Prandtl(Pr)

(Pr

= C~f.l)

^(1.6)

k

=

conductividad termica

a. 7) Coeficiente convectivo de transferencia de calor(h).

Se relaciona con la diferencia global de temperaturas entre la pared y el fluido. Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico, en situaciones complejas debe determinarse experimentalmente. Las unidades son Watt por metro cuadrado y por grado Celsius, cuando el flujo de calor se expresa en Watt. [ 4]

a. 7.1) Coeficiente de película para el fluido caliente (hA).

(1.7)

a. 7. 2) Coeficiente de película para el fluido frio (hE)

k

=

conductividad termica f.lw =viscosidad de trabajo

a. 8) Eficiencia máxima del intercambiador de calor de placas La eficiencia de un intercambiador de calor se define como:

~

=

Rapidez de transferencia de calor _re_a_l _ _

max Rapidez maxima de transferencia de calor posible (1.9) La rapidez máxima de transferencia de calor se obtiene considerando un intereambiador de calor en contra del flujo con un área infinita sin pérdida de calor, en el cual se cumple. El cálculo de la efectividad ~ en base a la expresión: [5]

~max =-Q, Q

max

(1.10)

O a la derivada de aquella:

~ = mayor aumento de temperatwa

max Temperatwa mayor- TemperatUlQ menor

(1.11)

El numerador se refiere al mayor aumento de temperatura entre las corrientes que intervienen en el intercambiador.

Si:

o o

mcxCpc >m₁xCp₁ ^(1.12)

Entonces se cumple la condición:

Ce >C₁ ^(1.13)

Entonces T₁₂

=

TCJ, y la eficiencia viene dada por la siguiente ecuación:

Si:

o o

mcxCpc <m₁xCp₁

(1.14)

( 1.15) (1.16) Entonces Tez

=

T_{11 ,} y la eficiencia viene dada por la siguiente ecuación:

(1.17)

o o

DondeCmineselmenordelosvaloresde mcxCpc y m₁ xCp₁ [5]

1.2 Proceso de Absorción de Amoniaco en Agua

Es importante comprender el proceso de absorción de algunos de los términos que se relacionan con el mismo, ya que son esenciales para la comprensión del sistema que se va a estudiar.

En la refrigeración por absorción el absorbente es un líquido y la otra sustancia, que sirve como refrigerante del sistema, se encuentra en un estado gaseoso (NH_3), cuando es absorbida. Dos pares de sustancia se utilizan con buen éxito en los sistemas de absorción. Existen varios pares de sustancias que se utilizan con éxito entre estos un par está compuesto de agua y amoniaco, donde el agua es el absorbente y el amoniaco el refrigerante. Otro par es el bromuro de litio y el agua en este caso el bromuro de litio es el absorbente y el agua es el refrigerante. [6]

En los sistemas de refrigeración, la mezcla de las dos sustancias normalmente se encuentra en estado líquido. Cuando la proporción del absorbente en la mezcla es elevada y la proporción del refrigerante es baja a la solución se le llama solución concentrada o fuerte; y cuando la proporción del absorbente es baja y la del refrigerante es elevada, se le llama solución diluida o débil. [6]

1.2.1 Evaluación del fenómeno por absorción

La absorción es un fenómeno en el cual el absorbente, bajo la liberación de una determinada cantidad de energía en forma de calor, absorbe o atrapa en su superficie una cantidad de materia gaseosa; ósea unión entre dos fluidos en contacto, mas no la formación de nuevos elementos químicos.

En la Figura No l. 6 se muestra que si expandimos el gas refrigerante, la temperatura del tubo se enfría; ya que este pierde calor inhibiendo el desorden molecular, caso contrario sucede en la comprensión. Este caso actúa como válvula de expansión y ayuda a la refrigeración del sistema.

Figura No 1.6: Expansión del refrigerante en una tubería. Fuente: Elaboración propia

En la Figura N° l. 7 se muestra que el gas amoniaco ingresa por la parte superior para estar en contacto con el hidróxido de amonio de la parte inferior, en ese instante se inicia la absorción por arrastre; ya que cada átomo de amoniaco es absorbido. formando una interfase entre vapor y liquido, generando desorden molecular en un flujo turbulento de acuerdo a la presión y temperatura de la corriente que precede del generador, la velocidad de arrastre del agua amoniacal para un flujo turbulento favorece la absorción debido que es directamente proporcional al coeficiente convectivo de transferencia de calor

En la Figura ~ 1.8 muestra la absorción de corte transversal, donde cada molécula de amoniaco es arrastrado por la corriente del agua amoniacal, generando una reacción endotérmica, para su posterior ingreso en la entrada del intercambiador de placas (Tn), ingresando a una temperatura de 38 °C, variando la temperatura en el recorrido de las placas internas, ganando energía por el vapor de agua que recorre toda la trayectoria paralelamente. Se muestra que el hidróxido de amonio es el absorbente y el amoniaco es el gas absorbido.

Figura N>l.B

Figura l. 7 y 1.8: Proceso de absorción del amoniaco en agua. Fuente: Elaboración propia

La concentración se expresa por lo general como el porcentaje en peso del absorbente. Una solución más concentrada puede absorber una mayor cantidad de refrigerante, con mayor rapidez. Una solución puede absorber solo una cantidad máxima de refrigerante. Cuando se diluye demasiado, no es capaz de absorber más refrigerante. [7]

En la Figura N° 1.9 se muestra la dirección del calor sensible tanto para el liquido y vapor de la interfase. Donde QsEN es el calor sensible debido a la transferencia de masa en la capa límite, es decir, el flujo de energía que va del seno de la fase hasta la interfase, restringiendo el volumen de control. Tv y T_1NT son las temperaturas en el seno del vapor en la interfase respectivamente.

z=O ^{z= Zt.·}

·~---;>,<E---3>·

1 ,1 • 1

1 1

1 1

I

...

^{.ze 1 1}

LIQl.JIDO Tn-.,. N ^...

a.:

_VAPOR

1

~ ~T ¹ 1

-

^{' - y} R

^'--_!

^{1 Tv}

F ¹ ₁

A ¹ 1

S ^{1 1}

' TL

....

_E ^{... 1}

Qse,,_ .... ^{, .. 1} _QsENV

1

Figur(l N°.1.9: Balance de energta en un volumen de control Fuente: Jesús CEREZO ROMAN

En 'lá. Figura N° 1.1 O muestra una interfase considerada como una zona. que se encuentra entre la fase liquida y vapor, donde no existe acumulación de calor, ni de masa, se encuentra en condiciones de equilibrio, y no existe resistencia de materia, ni térmica. No hay transferencia de número de moles del vapor ni del · líquido, coexistiendo la cantidad de número de· moles de vapor y liquido. La

. .

resistencia de la fase vapor y de liquido a la tran~ferencia de calor y masa se localiza en una capa limite laminar de esp~sor r¡. las fases de vapor y de liquido en lá. interfase está eri equilibrio a la temperatura interfacial y la presión del absorbedor. [7]

TJ = íi'JL 11=0

~---~---^{• 1}

1

I

-

^{T)e '"'}

LIQ'l.J-¡no N ... ^,

..

_.VAPOR

T

E ~ ^y

R

F ^YINT

XD."T

X

___.,

^A

- ^-

^S E

'

Figura N° 1.10: Proceso deformación de la interfase en la absorción. Fuente: Jesús CEREZO ROMAN

. Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa

"refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es

necesario estar familiarizado con los números, así como con los nombres de los refrigerantes. Los refrigerantes pueden ser puros o mezcla de diferentes gases, las mezclas pueden ser azeotrópicas o no azeotrópicas. Las mezclas azeotrópicas están formadas por tres componentes y se comportan como una molécula de refrigerante puro. Empiezan por 5 (R-500, R-502).

Las mezclas no azeotrópicas están formadas por varios componentes pero la mezcla no se comporta como una molécula de refrigerante puro. Por lo tanto la carga de refrigerante que funciona con estos gases se ha de realizar siempre por líquido ya que cada gas se comporta diferente en estado gaseoso. Empiezan por 4 (R-404, R- 408, R-409). Aparte este tipo de mezclas tiene deslizamiento, lo que quiere decir que a la misma presión la temperatura es diferente si está en estado gaseoso o en estado líquido. Este deslizamiento puede ser desde 1 o hasta 7°C. Estos gases no son tóxicos en estado normal pero desplazan el oxígeno produciendo asfixia. Cuando están es contacto con llamas o cuerpos incandescentes el gas se descompone dando productos altamente tóxicos y capaces de provocar efectos nocivos en pequeñas concentraciones y corta exposición.

Los refrigerantes que empiezan por 7, indican que son fluidos inorgánicos. Por ejemplo, el amoniaco (NH3) que se denomina R-717 o el R-744 que es el anhídrido carbónico (C02), el R-764 es el anhídrido sulfuroso (S02), donde el número después del dígito 7 nos indica el peso molecular de las distintas sustancias empleadas.

Tabla N°1.2. Propiedades de los refriKerantes y absorbentes.

Parámetros R-717 R-718 R-719

Estabilidad química Media Alta Alta

Toxicidad Alta Nula Baja

Disponibilidad Alta Alta Alta

Efectos contaminantes Bajos Nulos Nulos

ODP

o o o

GWP

o o o

TEWI Bajo Nulo Bajo

calor latente vaporización 1,25 MJ/kg 2,5 MJ/kg NIA

Coste Medio Bajo Medio

Fuente: Elaboración propia

La característica principal es la formación de resistencias térmicas de la interfase que van desde la burbuja de amoniaco hasta el fluido de enfriamiento, como lo

muestra la Figura No 1.11. Se consideran burbujas de forma esféricas del gas refrigerante, en este caso del amoniaco, el coeficiente convectivo de película se genera para ambas fases. [7]

Interfase

~--

Figura No 1.11: Coeficiente convéctivo de transferencia de calor desde el seno de la interfase. Fuente: Jesús CEREZO ROMAN

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que este disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser fisica o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.

~ca

NH3

Ar;.PJ

H O 2

Figura No 1.12: Imagen tridimensional de la molécula de amoniaco y agua.

Fuente: http://quimicadelaatmosfera.blogspot.com/

La absorción se realiza en sistemas líquido-líquido y líquido-gas, como se muestra en la Figura No 1.12; en ellos, la transferencia de materia se produce a través de una interfase que puede desplazarse en el espacio y en la que el líquido ligado a ella permanece prácticamente insensible al comportamiento hidrodinámico de la fase gas o al de la masa turbulenta del líquido.

El mecanismo de transporte se ha propuesto varias teorías. La de película supone que

régimen laminar, mientras que en el resto del fluido la mezcla es completa; la velocidad gel fenómeno está controlada por la difusión molecular a través de las películas.

Se considera la teoría de la difusividad, en la transferencia de materia en régimen estacionario colaboran simultáneamente la difusividad molecular y la turbulenta. Higbie propuso la teoría de la penetración, en la que se supone que la absorción tiene lugar durante una serie de breves contactos entre los fluidos; antes de alcanzar la homogeneidad de la disolución, el soluto se difunde una corta distancia en el absorbente. La teoría de la penetración con renovación superficial de Danckwerts se diferencia de la de Higbie en que la renovación de la superficie en contacto con la interfase se reáliza en régimen no estacionario, lo que supone la creación continua de nuevas interfases.

La teoría dualista película-penetración de Toor y Marchello considera que la renovación de la película laminar se realiza a velocidad suficientemente rápida como para evitar que se establezca un gradiente de concentración estacionario, y King ha propuesto un modelo de transporte en régimen no estacionario en el que se aúnan las teorías de Toor y Marchello y la de difusividad turbulenta.

El contacto entre fases para la absorción se cons1gue mediante el empleo de Intercambiadores de placas de campanas de borboteo que funcionan en régimen intermitente- o en régimen continuo trabajando, existen artificios tales como las cámaras de pulverización, burbujeadores de gas y contactares centrífugos, en los que la dispersión entre fases se consigue con ingenios mecánicos. Esta operación está incluida en un elevado número de procedimientos químicos.

El rendimiento en la separación de componentes está regido por la capacidad disolvente del absorbente; éste, a su vez, se selecciona considerando las características del absorbato, su coste, facilidad de recuperación, propiedades físicas, relación absorbente/absorbato y forma de contacto. El sentido de la transferencia estará en función del signo de las fuerzas impulsoras; ya sea difusión o contradifusión. [7]

1.3 Recipiente a Presión

En la Figura No 1.13. Se muestra un recipiente a presión, a cualquier vasija cerrada que sea capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o vació e independientemente de su forma y dimensiones. Los recipientes cilíndricos a que nos referimos en este tomo, son calculados como cilindros de pared delgada. [8]

Figura N°l. 13: Vista frontal del recipiente a presión. Fuente: LEON ESTRADA Juan Manuel

1.3.1.- Presión de Operación (Po)

Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal.

1.3.2.- Presión de Diseño (P)

Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión, dicho valor será el siguiente:

lb lb

Si: Po > 300 ₂

=>

P

=

1,1P_{0 2}

pu lg pu lg (1.18)

. lb lb

S1: Po< 300

2

=>

P =Po+ 30 ₂

pulg pulg (1.19)

Donde

P = Presión de diseño ( lb

2

J .

pulg

P o= reswn e operacwn. P . ' d . ' ( lb ₂

J

^•

pulg

Al determinar la presión de diseño (P), debe tomarse en consideración la presión hidrostática debida a la columna del fluido que estemos manejando, si éste es líquido sobre todo en recipientes cilíndricos verticales. [8].

1.3.3.-Presión de Trabajo Máximo Permisible

Es la presión máxima a la que se puede someter un recipiente, en condiciones de operación, suponiendo que el recipiente está:

~ En condiciones después de haber sido corroído

~ Bajo los efectos de la temperatura de diseño.

~ En la posición normal de operación.

~ Bajo los efectos de otras cargas, tales como fuerzas debido al viento, presión hidrostática, etc., cuyos efectos deben agregarse a los ocasionados por la presión interna.

Es una práctica común, seguida por los usuarios, diseñadores y fabricantes de recipientes a presión, limitar la presión de trabajo máxima permisible por la resistencia del cuerpo o las tapas, y no por elementos componentes pequeños, tales como bridas, boquillas, etc. [8].

1.3.4.- Tipos de Recipientes

Los diferentes tipos de recipientes a presión que existen, se clasifican por su uso y por su forma, como se resume en la Figura No 1.13, para su operación es necesario considerar el fin de su uso, el cual tenga un desempeño adecuado.

r

.Recipientes

a presión.

Por su uso

í

^De ahnacenanliet.l.to

1

De proceso

f

Cilíndricos Por su ton.ua

!l

· Esféricos

{ Ho.-izontal.,;

'- ·verticales

Figura 1.13 tipos de recipientes a presion. FUENTE: LEON ESTRADA Juan Manuel"Diseño y calculo de recipientes a presion"

a) Por su Uso

Por su uso los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes de proceso. Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión, y de acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores, etc.

Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy variados usos, entre ellos podemos citar los cambiadores de calor, reactores, torres fraccionadoras, torres de destilación, etc. [8]

b) Por su Forma

Por su forma, los recipientes a presión, pueden ser cilíndricos o esféricos. Los primeros pueden ser horizontales o verticales, y pueden tener, en algunos casos, chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura de los fluidos según el caso.

Los recipientes esféricos se utilizan cómo tanques de almacenamiento, y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes a altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma "natural" que toman los cuerpos al ser sometidos a presión interna, ésta sería la forma más económica para almacenar fluidos a presión, sin embargo, la fabricación de este tipo de recipientes es mucho más cara en comparación con los recipientes cilíndricos. [8]

1.3.5 Tipos de Tapas

Para "cerrar" recipientes cilíndricos, existen varios tipos de tapas, entre otras tenemos las siguientes: Tapas planas, planas con ceja, únicamente troqueladas, troqueladas con ceja invertida, toriesféricas, semielípticas, semiesféricas, tapas 80-1 O, tapas cónicas, toricónicas, etc.

Las características principales y usos de estas tapas son:

a. Tapas Toriesféricas

Son las que mayor aceptación tienen en la industria, debido a su bajo costo y a que soportan altas presiones manométricas, su característica principal es que el radio de troqueladas es aproximadamente igual al diámetro. Se pueden fabricar en diámetros desde 0,3 m hasta 6 m. El espesor de este tipo de tapas esta dado por la siguiente ecuación:

t = - - - -PLM 2SE-0,2P Donde:

P = Presión de diseño, en ( lb

2)

pulg L= Radio de abombado (pulg).

M= Factor adimensional que depende de la relación Llr.

r = Radio de esquina o radio de nudillos (pulg).

(1.20)

S= Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la

temperatura de diseño, en

(___!!!__

₂

J

pulg

t =Espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión (pulg).

E= Eficiencia de las soldaduras. (Anexo A.2) b. Tapas semielípticas

Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa toriesférica es relativamente alto, ya que las tapas semielípticas soportan mayores presiones que las toriesféricas. El proceso de fabricación de estas tapas es el troquelado, su silueta describe una elipse relación 2:1, su costo es alto y se fabrican hasta un diámetro máximo de 3 m. Siendo las ecuaciones que definen este tipo de tapa las siguientes: [8]

t = - - - -PD

T 2SE-0,2P (1.21)

Donde:

D = Diámetro interior (pulg).

E= Eficiencia de soldadura (Anexo A.2).

P =Presión de diseño ( lb ) . pulg ²

S = Esfuerzo de tensión del material a las condiciones de operación, Anexo A.3 ( lb

2 ) •

pulg

tT =Espesor de la tapa (pulg).

c. Tapas semiesféricas

Utilizadas exclusivamente para soportar presiones críticas, su silueta describe una media circunferencia perfecta, su costo es alto y no hay límite dimensional para su fabricación. El espesor de este tipo de tapa se calcula mediante la siguiente ecuación: [8]

t = - - - - -

PR

2SE-0,2P

^(1.22)

Donde:

E= Eficiencia de soldaduras. (Anexo A.2)

P ⁼ Presión de diseño, en

(~-)

pulg

R = Radio interior de la tapa semiesférica (pulg).

S= Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en ( lb ₂ ⁾

pulg

t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión (pulg).

d Tapas 80:1 O

Y a que en latinoamerica no se cuenta con prensas lo suficientemente grandes para troquelar tapas semi elípticas 2:1 de dimensiones relativamente grandes, se ha optado por fabricar este tipo de tapas, cuyas características principales son: El radio de abombado es el 80% del diámetro; y el radio de esquina o radio de nudillos es igual al 10% del diámetro. Estas tapas las usamos como equivalentes a la semielíptica relación 2:1, se determina el espesor para este tipo de tapas mediante la siguiente ecuación: [8]

Donde:

t

=

_0_,_73_P_L_

SE-0,1P

E ⁼ Eficiencia de las soldaduras.

L = Diámetro interior (pulg).

P ⁼ Presión de diseño, ( lb ₂ ⁾ pulg

(1.23)

S= Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, ( lb ₂ ^{) •}

pulg

t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión (pulg).

e. Tapas cónicas

Se utilizan generalmente en fondos donde pudiese haber acumulación de sólidos y como transiciones en cambios de diámetro de recipientes