Intercambiador de calor para planta alimenticia

1. Introducción
El propósito de este proyecto está dirigido al diseño de un intercambiador de calor destinado a trabajar en una planta fabricadora de jugo de naranja, más específicamente en la fase de envasado.

2. Especificaciones del proyecto
En el momento del dimensionamiento de un intercambiador de calor, es necesario evaluar los fluidos involucrados, sus características, losmateriales a partir de los cuales se va a construir el equipo y demás parámetros que serán detallados en el desarrollo del informe. Entre los distintos tipos de categoría de intercambiadores se empleará un equipo de carcasa y tubo, es decir, un dispositivo que consta de un haz de tubos alojados dentro de un tubo mayor (carcasa). Los tubos son acomodados de acuerdo a las necesidades del proceso, en estecaso la disposición se considerará en tresbolillos que si bien resulta en desventaja en cuanto a la limpieza, favorece la transferencia entre los fluidos. El paso transversal ST y el paso diagonal SD se indica en la figura 1. Los baffles o placas deflectoras que le otorgan turbulencia al fluido que va por carcasa además de servir como sustento para los tubos –disminución de vibraciones-, seconsiderarán de un espesor igual a 5 mm con un espaciamiento entre baffles de 0.5m.
SL
ST

ST=SD=Dexterior,tubo

SD

Figura 1. Configuración tresbolillos

Por otro lado, el jugo de naranja que ingresa al intercambiador proviene inmediatamente de su pasteurizado tipo HTST, donde ha sido sometido a una temperatura de 68°C por un corto período de tiempo para luego ser envasado en recipientes deplástico a una temperatura de 22°C. Del fluido se estableció que correrá por fuera de los tubos con un caudal de 10000 lt/h y será enfriado con agua emanada de una torre de enfriamiento que abastece otros procesos en la fábrica, cuyo rango de temperaturas se ubicará desde 15°C a 25°C. Otra restricción a tener en cuenta es la dimensión de los tubos que serán corrugados –minimiza el efecto deensuciamiento y la temperatura en la pared está muy cercana a la temperatura del fluido que transita dentro del tubo-, cuyo diámetro nominal es de 11/2” IPS cédula 40 y su largo será de 4.5 m. Por dentro de tubos correrá agua con una velocidad máxima de 1 m/s y la velocidad del jugo de naranja en la sección media de la carcasa no debe ser superior a 0.3m/s. Debido a espacio físico se requiere también queel número de pasos por carcasa sean dos y por tubos sean de cuatro pasos.

3. Procedimiento
Las propiedades de los fluidos se evaluarán a temperatura media respectivamente. Mediante el uso de datos tabulados, se tiene que para el agua y para el jugo de naranja cuyas propiedades son asimilables a las del anterior fluido mencionado, son las que se enseñan en la Tabla 1.

Fluido | Tmedia(°C)| Densidad ρ(kg/m3) | Viscosidad ν(m2/s) | Pr | Conductividad k(W/m°C) |
Zumo | 45 | 990.1 | 6.02x10-7 | 3.91 | 0.637 |
Agua | 20 | 998.0 | 1.00x10-6 | 7.01 | 0.598 |
Tabla 1. Propiedades de los fluidos a temperatura media

A partir de aquí se pretende entonces dimensionar el equipo que pueda servir a las necesidades presentadas, es decir, la cantidad de tubos por pasos, el diámetro de lacarcasa, el área de intercambio y el número de baffles.
Para calcular el área de intercambio se hará uso del método DTML dado por la siguiente expresión:
(1)

F es un factor de corrección debido a que al haber varios pasos por carcasa y por los tubos, no existe un flujo completamente a contracorriente en toda la extensión del intercambiador. Más adelante se detallará como determinarlo.
Paracalcular la potencia intercambiada q, se sabe por base en la termodinámica que:
(2)

Así que planteando un balance entre ambos fluidos queda:

Donde los subíndices H representan al fluido caliente (jugo de naranja) y los subíndices C aluden al fluido frío (agua). De la anterior ecuación es posible determinar cuál va a ser el caudal de agua necesario a mandar asumiendo que los calores...