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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE UN CONDENSADOR BAROMÉTRICO, PARA
EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DEL PROGRAMA DE INGENIERÍA
QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD DE
SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
GONZALEZ GUZMAN MAICOL ESTEBAN
PAZ ATENCIA MARIA JOSE
QUIJANO CASTRO ANGIE DEL CARMEN
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
X SEMESTRE
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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE UN CONDENSADOR BAROMÉTRICO, PARA
EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DEL PROGRAMA DE INGENIERÍA
QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
GONZALEZ GUZMAN MAICOL ESTEBAN
PAZ ATENCIA MARÍA JOSE
QUIJANO CASTRO ANGIE DEL CARMEN
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de ingenieros químicos.
ADALBERTO MATUTE THOWINSON
RODRIGO RAFAEL RICARDO PAREDES
DIRECTOR
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO
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PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
X SEMESTRE
RESUMEN
El desarrollo del presente proyecto se basa en el diseño, construcción y montaje de un condensador
barométrico que trabaja en serie con una caldera que produce vapor saturado a 1.5atm, a
aproximadamente 110°C de temperatura. A partir de ello se generan los criterios necesarios para la
realización de lo cálculos pertinentes. El equipo contiene una bandeja distribuidora y un lecho
empacado que permite la mayor transferencia de calor posible entre el vapor y el agua de
enfriamiento, además, una pierna barométrica de 4,40m que permite que se obtenga una ganancia
promedio de 13,2 °C en el condensado, lo que indica que hay transferencia de calor entre los fluidos.
Así mismo, a través de la compilación de ecuaciones, datos y teorías, se obtuvo una eficiencia teórica
del equipo de 63%.
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INTRODUCCIÓN
El diseño de un equipo es el proceso previo de configuración mental de búsqueda de una solución en
cualquier campo, de éste depende en gran parte el grado de confiabilidad y eficiencia que se obtiene
del equipo al final. Dicho proceso no puede hacerse de manera improvisada, sino que debe realizarse
mediante un método lógico y completo, que permita cumplir los objetivos deseados y finalmente
llegar a elegir la mejor opción. [1]. Además, el diseño será la guía principal para la construcción y
montaje del mismo, a partir de ello se determinará el tipo de materiales, tuberías y accesorios que
llevará el equipo para su correcto funcionamiento.
Mediante el presente trabajo el grupo de investigación busca realizar el diseño, construcción y puesta
en marcha de un condensador barométrico, debido a su bajo costo de construcción y mantenimiento.
Y además se constituye en un equipo capaz de permitir la aplicación del conocimiento en operaciones
unitarias por parte de los estudiantes de ingeniería química.
Durante el diseño se tendrá en cuenta tres partes importantes del equipo, las cuales son: cuerpo del
condensador, bandeja distribuidora y lecho empacado, con el fin de aumentar la transferencia de
calor entre el vapor y el líquido. Teniendo como fines determinar la operabilidad y eficiencia del
equipo, con el ánimo de cuantificar y validar su desempeño.
Este documento consta de cuatro capítulos que son: problema de investigación, marcos de referencia,
diseño metodológico y resultado, en donde cada uno se detalla en distintas secciones lo
correspondiente al mismo. La metodología utilizada por el grupo integrado por tres personas fue la
investigación minuciosa del tema, utilizando fuentes primarias como libros, fuentes secundarias
como material de apoyo suministrado por el docente tutor y fuentes encontradas en internet.
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TABLA DE CONTENIDO
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .................... ¡Error! Marcador no definido.
1.1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .............. ¡Error! Marcador no definido.
1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .............. ¡Error! Marcador no definido.
1.3. JUSTIFICACIÓN .......................................... ¡Error! Marcador no definido.
1.4. OBJETIVOS ................................................. ¡Error! Marcador no definido.
1.4.1. Objetivo general ...................................... ¡Error! Marcador no definido.
1.4.2. Objetivos específicos ............................... ¡Error! Marcador no definido.
2. MARCOS DE REFERENCIA .............................. ¡Error! Marcador no definido.
2.1. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS .......... ¡Error! Marcador no definido.
2.2. MARCO TEÓRICO ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.1. Mecanismos de transferencia de calor.. ...... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.2. Condensación. ........................................ ¡Error! Marcador no definido.
2.2.3. Tipos de condensación en película. ........... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.4. Funcionamiento de un condensador. .......... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.5. Cálculos para los condensadores. .............. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.6. Clasificación de los condensadores. ........... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.7. Funcionamiento . .................................... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.8. Estructura. .............................................. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.9. Diseño del condensador barométrico de contacto directo tipo columna
empacada. ........................................................... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.10. Balance de masa del equipo .................. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.11. Balance de energía del equipo ............... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.12. Diseño de bandeja distribuidora de agua de enfriamiento.. .............. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.13. Altura del lecho empacado.. .................. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.14. Diámetro de la tubería para la pierna barométrica. ... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.15. Diámetro de la tubería de alimentación del vapor. ... ¡Error! Marcador no definido.
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2.2.16. Diámetro de la tubería de descarga del agua de enfriamiento. ......... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.17. Altura de la pierna barométrica.. ............ ¡Error! Marcador no definido.
2.2.18. Altura del condensador ......................... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.19. Potencia de la bomba para la descarga del agua de enfriamiento.. .... ¡Error! Marcador no definido.
2.3. MARCO LEGAL .......................................... ¡Error! Marcador no definido.
2.4. MARCO CONCEPTUAL .............................. ¡Error! Marcador no definido.
3. DISEÑO METODOLOGICO ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.1. TIPO DE INVESTIGACION .......................... ¡Error! Marcador no definido.
3.2. DISEÑO ADOPTADO .................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.3. ENFOQUE ADOPTADO ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.4. TECNICAS DE RECOLECCION DE LA INFORMACIÓN ... ¡Error! Marcador no definido.
3.4.1. Fuentes primarias.. .................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.4.2. Fuentes secundarias.. ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.5. HIPOTESIS .................................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.6. VARIABLES ................................................ ¡Error! Marcador no definido.
3.7. OPERACIONALIZACION DE VARIABLES .. ¡Error! Marcador no definido.
3.8. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION . ¡Error! Marcador no definido.
RESULTADOS .......................................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.9. CONDICIONES OPERATIVAS Y CALCULOS DE DISEÑO¡Error! Marcador no definido.
PLANO DE CONDENSADOR 1.............................. ¡Error! Marcador no definido.
PLANO DE CONDENSADOR 2.............................. ¡Error! Marcador no definido.
3.10. MATERIAL ELEGIDO PARA CONDENSADOR Y TUBERIAS ........ ¡Error! Marcador no definido.
3.11. OPERABILIDAD Y EFICIENCIA DEL CONDENSADOR ¡Error! Marcador no definido.
3.12. GUÍA DE LABORATORIO .................... ¡Error! Marcador no definido.
DISCUSION .............................................................. ¡Error! Marcador no definido.
CONCLUSIONES ...................................................... ¡Error! Marcador no definido.
EEFERENCIAS ......................................................... ¡Error! Marcador no definido.
ANEXOS ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
ANEXO A: PI&D DEL CONDENSADOR................ ¡Error! Marcador no definido.
ANEXO B: Manual de uso ................................... ¡Error! Marcador no definido.
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ANEXO C: Manual de mantenimiento: .................. ¡Error! Marcador no definido.
ANEXO D: TABLA DE VOLUMEN Y ALTURA DE TANQUE 2 .. ¡Error! Marcador no definido.
ANEXO E: PRESUPUESTO .................................... ¡Error! Marcador no definido.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. a) Condensación en película. b) Condensación por gotas .. ¡Error! Marcador no definido.
Figura 2. Condensadores barométricos tipo spray ........... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 3. Condensador barométrico de bandeja .............. ¡Error! Marcador no definido.
Figura 4. Estructura de un condensador barométrico en contracorriente . ¡Error! Marcador no definido.
Figura 5. Diseño de la bandeja distribuidora .................. ¡Error! Marcador no definido.
Figura 6. Polipropileno HD Q-PAC .............................. ¡Error! Marcador no definido.
Figura 7 .Secciones de la altura del equipo .................... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 8. Sección cónica superior ................................. ¡Error! Marcador no definido.
Figura 9. Instalación de la bomba al condensador ........... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 10. Plano de condensador 1 ................................ ¡Error! Marcador no definido.
Figura 11. Plano de condensador 2 ................................ ¡Error! Marcador no definido.
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Cálculo de temperatura de las corrientes. .......... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 2. Flujo másico de entrada, salida y calor retirado. . ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 3. Características de la bandeja distribuidora y diámetro de condensador. ...... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 4. Cálculo para determinar la altura del lecho empacado ........ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 5. Diámetro y altura de tuberías ........................... ¡Error! Marcador no definido.
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Tabla 6. Cuerpo del condensador .................................. ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 7. Tiempo de calentamiento y temperatura en las distintas corridas ............... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 8. Temperaturas en puntos 1,2, y 3 a diferentes corridas ........ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 9. Ganancia de temperatura en la pierna barométrica ............. ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 10. Caudal de agua de enfriamiento en distintas corridas ........ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 11. Volumen de condensado en relación a la altura del tanque 2... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 12. Flujo de vapor condensado a distintas corridas . ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 13. Calculo de eficiencia del condensador ............ ¡Error! Marcador no definido.
DISEÑO, CONSTRUCCIÒN Y MONTAJE DE UN CONDENSADOR BAROMÉTRICO, PARA
EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DEL PROGRAMA DE INGENIERÍA
QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
En el ejercicio de la Ingeniería química es fundamental el conocimiento teórico y práctico de las
operaciones unitarias y los procesos unitarios, pues comprenden una muy parte importante del
quehacer profesional.
El concepto de operaciones unitarias ha sido el pilar de la epistemología de la Ingeniería Química
desde su surgimiento, y permitió nuclear la enseñanza de esta ciencia en torno a una teoría común.
[2]
Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación, sea físico,
químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de características diferentes.
Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular,
tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma
más útil a nuestros fines. [3]
Puede definirse entonces como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales,
insumos o materias primas en la que ocurre una función determinada, son actividades básicas que
forman parte del proceso.
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Las operaciones unitarias y el tratamiento de unidades forman los principios fundamentales de todo
tipo de industrias químicas y son la base de los diseños de plantas químicas, fábricas, y el equipo
utilizado. Es por esto que su correcto conocimiento y práctica se consideran primordiales para ejercer
la profesión de manera adecuada; tanto para el campo industrial como para el campo académico y de
investigación. Es así que se hace necesario que los estudiantes tengan contacto con equipos capaces
de llevar a cabo las distintas operaciones unitarias, que comprendan transferencia de masa, de calor
y de movimiento, para que tengan una mejor preparación al momento de enfrentarse al campo laboral.
Las diferentes Universidades que ofrecen la carrera de Ingeniería química y/o de procesos, o carreras
afines, en la ciudad de Cartagena, cuentan con laboratorios de operaciones unitarias, o convenios para
acceder a uno. En el caso de la Universidad de San Buenaventura, se cuenta con un laboratorio de
operaciones unitarias, dispuesto para el aprendizaje de los estudiantes de ingeniería química. Sin
embargo éste carece de un equipo con el cual los estudiantes puedan desarrollar y aplicar sus
conocimientos teóricos, en procesos que requieran el aprovechamiento del vapor proveniente de un
equipo anterior a éste; como turbinas, calderas, entre otros, o alguno en el que se pretenda obtener un
cambio de estado de determinada sustancia, como lo es un condensador, equipo que cumple con dicha
función. Y que además se constituye en una de las operaciones unitarias más comunes de la industria
química.
Por este motivo el grupo de investigación determinó la necesidad de realizar el diseño, construcción
y montaje, a escala piloto, de un condensador barométrico, que aparte de promover y desarrollar el
conocimiento de los estudiantes de ingeniería, sea eficiente y con bajo impacto negativo hacia el
medio ambiente.
Los condensadores de contacto directo se dividen en condensadores de chorro o mezcla y
barométrico, éstos son mucho más pequeños y baratos que los condensadores de superficie. [4]
El condensador barométrico es empleado como medio económico y confiable de condensar vapor
proveniente de evaporadores, cristalizadores al vacío, cocinadores, sistemas de vacío y muchos otros
equipos de la industria química o alimenticia.
La característica saliente de los condensadores barométricos es que el agua de enfriamiento puede ser
descargada por gravedad a través de la pierna, sin necesidad de una bomba.
Además, el condensador de contacto directo puede operar con diferencias terminales entre la
temperatura de condensación del vapor y la de salida del agua y aproximaciones entre la temperatura
de salida de los gases y la de entrada del agua extraordinariamente bajas e imposibles de conseguir
en condensadores de superficie. Es un aparato de bajo costo, que no se inunda, fácil de instalar, que
requiere poco espacio y bajo mantenimiento. [5]
Con el paso del tiempo, los condensadores barométricos se han diseñado para llevar a cabo su función
de manera adecuada. Sin embargo, en las últimas décadas, el diseño se ha visto influenciado
positivamente con algunas restricciones, entre ellas la protección ambiental y la competitividad. Esto
ha llevado a diseñar no sólo un equipo eficaz, sino también eficiente y que represente bajos costos de
producción. En los condensadores barométricos es posible reducir los costos y el impacto ambiental,
reduciendo el gasto de agua, seleccionando adecuadamente los materiales, accesorios, operabilidad,
versatilidad del equipo.
Durante el diseño del equipo, se pueden optimizar y controlar los costos de un proceso. Un diseño
adecuado del condensador barométrico permite que funcione bajo parámetros controlados, para
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obtener satisfactoriamente el producto deseado. Además, permite controlar la operación del equipo,
para que consuma la menor cantidad de materias.
1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Qué parámetros fisicoquímicos, técnicos y económicos deberían definirse para el diseño,
construcción y puesta en marcha de un condensador barométrico, para el laboratorio de operaciones
unitarias del programa de ingeniería química de la Universidad de San Buenaventura Cartagena?
1.3. JUSTIFICACIÓN
El tema propuesto surge del interés como estudiantes del programa de Ingeniería Química de poner
en práctica los conocimientos teóricos adquiridos, la amplitud de información acerca del equipo, la
gran disponibilidad de materiales económicos para su construcción, la simplicidad de su diseño,
montaje, y además la necesidad de contar con una unidad de condensación en el laboratorio que
desarrolle uno de los procesos de transferencia de calor existentes. Para lograr esto, es importante el
aporte de la ingeniería de procesos, línea de investigación del grupo GICI, seleccionada para esta
propuesta, que trata generalmente todos los procesos químicos y físicos, incluyendo éste.
La comunidad del programa de ingeniería Química se beneficiará al contar con un dispositivo de
condensación en el laboratorio de operaciones unitarias, ya que, éste carece del mismo. Podrán
realizar prácticas concernientes al tema, principalmente de condensación por películas, que es aquella
que caracteriza al condensador barométrico.
El condensador evitará la pérdida de vapor, proveniente de una caldera y utilizará el condensado
(agua) para la alimentación de éstos. De esta forma, se desarrollará un equipo benéfico y que cumpla
con las expectativas de máxima eficiencia para lograr obtener resultados operacionales satisfactorios,
realizando las correctas dimensiones para reducir los sobrecostos y se cumplan los objetivos de
economía. De la misma manera, se tomarán todas las medidas necesarias para que éste no cause
impactos negativos en el medio ambiente, como lo sería salida de condensados con altas temperaturas
hacia los vertederos.
En el campo de la Ingeniería Química, este proyecto de investigación constituye un área de
aprendizaje importante para alcanzar la formación del Ingeniero químico, ya que, podrá ir más allá
de los conocimientos teóricos adquiridos en clase, al poder poner en práctica la capacidad
investigativa, analítica e ingenieril.
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo general
Realizar el diseño, construcción y montaje de un condensador barométrico, utilizando biografía de
diseño de condensadores, para el laboratorio del programa de ingeniería química de la Universidad
de San Buenaventura Cartagena.
1.4.2. Objetivos específicos
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Establecer condiciones operativas del condensador barométrico.
Construir el equipo a escala de laboratorio
Elaborar guía de laboratorio, manual de uso y mantenimiento del equipo.
Determinar la operatividad y eficiencia del equipo con el ánimo de cuantificar y validar su
desempeño.
2. MARCOS DE REFERENCIA
2.1. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
La aplicación del vacío en la industria química y alimenticia es fundamental, porque permite llevar a
cabo operaciones y procesos que, con el uso de vacío, aumentan su eficiencia y economía. Por esta
razón, los condensadores barométricos han sido empleados como medio económico y confiable de
condensar vapor proveniente de evaporadores, cristalizadores al vacío, sistemas de vacío y otros
equipos [6].
Desde hace un siglo, los condensadores barométricos se han utilizado en los procesos de refinación
de azúcar, ya que se descubrió que conllevan a ventajas operativas en estos procesos. Desde hace
décadas, estos condensadores han sido utilizados en la industria de alimentos para el procesamiento
de aceite comestible, leche y otros productos. En la industria química, se han utilizado en plantas de
alcohol y destilerías, fábricas de papel, refinerías de petróleo, plantas de fabricación de sal y otras
fábricas de productos químicos de diversa naturaleza. Es así como los condensadores barométricos
se encuentra en casi todas las áreas de la Química y de Procesos [7].
A nivel internacional, se han diseñado y construido equipos para llevar a cabo procesos de distinta
índole. En el año 2010, en la Universidad de San Carlos de Guatemala, Kresly Carlota Aguirre
Chinchilla, de la facultad de ingeniería, llevó a cabo el diseño de un condensador barométrico tipo
bandeja perforada sencilla para un sistema de evaporación de un ingenio azucarero, como proyecto
de tesis de grado. Durante el desarrollo de la tesis, se realizaron investigaciones teóricas acerca de
condensador barométrico. Inicialmente se llevó a cabo la recolección de información teórica. Durante
esta etapa, se realizó una compilación de las ecuaciones matemáticas y ecuaciones de diseño que
serían utilizadas en el desarrollo del modelo, y se recaudaron también todos los datos que
posteriormente fueron utilizados para poder generar adecuadamente los criterios de diseño. Durante
la etapa de recolección de datos se consultó al personal del ingenio azucarero acerca de las
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condiciones del ambiente, eficiencias y capacidades máximas a las que se trabaja. Otra parte
fundamental en la toma de datos fue la visita a un taller especializado en la realización de equipos
industriales, INMECASA. En donde se pudo obtener información sobre los materiales más utilizados,
económicos y resistentes. Así mismo se recopilaron datos sobre los accesorios del equipo, así como
de costos.
Las conclusiones obtenidas de este proyecto fueron las siguientes: Las dimensiones del cuerpo de un
condensador barométrico tipo sprayer de bandeja perforada simple con una capacidad de 203 ton/h
de vapor son de 6,5 pies de diámetro y 12 pies de altura. Las dimensiones de la pierna barométrica
son de 2,5 pies de diámetro por 34 pies de altura. La bandeja perforada en el condensador barométrico
diseñado debe tener un diámetro de cinco pies, una altura de 0,40 pies, un diámetro de agujero central
de 0,65 pies y un espesor de ¼ de pulgada. La eficiencia teórica del condensador diseñado es de
85,98%, la cual corresponde a las condiciones de proceso especificadas. La inversión inicial del
condensador barométrico diseñado asciende a $465 000,00; para una vida útil de 10 años [8].
En el año 2006, en la Universidad de Guayaquil, José Luis Cadme Romero, de la facultad de
ingeniería química, llevó a cabo el diseño y construcción de un condensador barométrico de chorro
para el laboratorio de operaciones unitarias, como tesis de grado. Realizaron investigaciones teóricas
acerca de la condensación y los condensadores, haciendo énfasis en los barométricos; además,
hicieron una investigación acerca de los equipos que generan vacío, un estudio de los materiales de
su construcción y un cuidadoso cálculo de las boquillas y la dirección de los chorros, con el fin de
evitar turbulencias y para que la dirección de los chorros sea correcta. Escogieron como altura del
condensador la mínima permitida (1m); llevaron a cabo el cálculo del diámetro del condensador. Para
un flujo de 100 Kg/h y un vacío de 25 in de Hg, obtuvieron un valor de 31 cm de ancho; un diámetro
interno de la tubería de vapor de 2 pulgadas; la razón de agua de enfriamiento por Kilogramo de
vapor, fue de 67.86 kg agua/kg vapor; el caudal de agua que entra al condensador, fue de 30 gal/min;
la velocidad de agua que entra al condensador, 0.933 m/s; la potencia de la bomba de alimentación al
condensador, fue de 2 HP; la potencia de la bomba del tanque del condensador a la torre de
enfriamiento fue de 0,3 HP; la columna barométrica tuvo una altura de 10.33 m, sección transversal
de 10 cm de diámetro y el caudal de agua de descenso en la columna barométrica fue de 0.0157 m3
/s.
Para el diseño y la construcción del equipo se tuvieron en cuenta los valores de vacío que se querían
alcanzar, por lo que obtuvieron un equipo que puede responder a diversas prácticas, ya que no se
enmarcó en un solo valor de presión de vapor o de flujo de agua; esto le dio una mayor aplicación
didáctica [9].
En Colombia, se han diseñado y construido condensadores barométricos, debido a su economía y a
su eficiencia. En el año 2013, en la Universidad Autónoma de occidente, Cali, se llevó a cabo el IX
Congreso Colombiano de Métodos Numéricos: Simulación en Ciencias y Aplicaciones Industriales,
en el que Santiago Laín Beatove, estudiante de la facultad de Ingeniería y miembro del grupo de
investigación de Mecánica de Fluidos, llevó a cabo el diseño construcción y evaluación de un
condensador tipo lluvia para la condensación de vapores del cuerpo concentrador en un Ingenio
azucarero.
Durante el desarrollo del proyecto, se diagnosticó el estado del condensador instalado en el ingenio
azucarero para reconocer el problema, realizando mediciones de caudales de agua y temperatura.
Emplearon la versión 13 del software Ansys® con el código CFX, para la simulación independiente
de las fases de vapor y de líquido. La simulación permitió inferir que se presentaba erosión en el
equipo debido a la elevada velocidad del vapor ingresando al equipo, y que había un alto consumo de
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agua, lo que disminuía la tasa de condensación. Se establecieron los nuevos parámetros para
seleccionar los mejores escenarios, y se evaluaron por medio del simulador diferentes esquemas de
distribución de agua y vapor, encontrando los indicadores que proporcionaban una distribución más
uniforme. El equipo se construyó de acuerdo a las especificaciones del mejor escenario y se encontró
un ahorro de más del 50 % en el consumo de agua. Para condiciones de molienda de caña entre 33 y
40 ton/h, el flujo de vapor estaría entre 2.03 y 2.56 ton/h. Con esa información, determinaron el flujo
necesario de agua de enfriamiento, la cual fue de 164 m3 /h.
Los resultados de las simulaciones permitieron proponer alternativas de diseño para la distribución
del vapor y del agua, evitando las configuraciones que generaran altas velocidades de flujo, y las
zonas de recirculaciones que afectaran los patrones de flujo en el equipo y, consecuentemente, la
operación del equipo. Con este diseño, se encontraron beneficios potenciales para la industria
azucarera, como la posibilidad de evaluar escenarios de diseño a bajos costos de ingeniería [10].
Por otra parte, en el año 2014, en la Universidad de Cartagena, Raúl Acosta Herazo, estudiante del
programa de ingeniería química, llevó a cabo el diseño de un condensador barométrico de contacto
directo tipo columna empacada, como proyecto de aula. Para el desarrollo del proyecto, se llevaron a
cabo investigaciones teóricas acerca del condensador de contacto directo y consultas de material
bibliográfico, de los cuales se obtuvieron las variables necesarias para ello. El equipo se diseñó
tomando como base las dimensiones y demás criterios reportados en la literatura, como velocidades
de las corrientes, ángulos de inclinación de las superficies cónicas, temperatura de las corrientes
liquidas, entre otras. Según la literatura, las dimensiones de los condensadores de contacto directo
tipo spray sin lecho empacado rondan entre los 3-4m de altura y los 1-1.5m de diámetro. El equipo
diseñado en este trabajo tiene proporciones cercanas, pero es un poco más compacto debido a la
implementación del empaque, lo que aumenta la relación de área por unidad de volumen, por tanto el
área de transferencia y mejora la calidad del intercambio de calor entre las corrientes, haciendo
necesario un poco menos de volumen que si no se usara el lecho. El cálculo de las demás dimensiones
y variables del equipo se realizó en base a las ecuaciones correspondientes o implementando
geometría.
Los materiales de construcción del equipo se consideran los apropiados, debido a lo sugerido en la
literatura para este tipo de equipos y las propiedades mecánicas y térmicas del material (acero
inoxidable), el tipo de acero fue seleccionado teniendo en cuenta la relación de costos con otro tipo
de acero y sus características. Finalmente, a partir de todo lo anterior se diseñó y obtuvo un
condensador barométrico para condensar vapor proveniente de un evaporador múltiple efecto
empleando agua de enfriamiento [11].
El presente proyecto difiere de los anteriores en que será un condensador a escala piloto que
condensará vapor proveniente de un evaporador múltiple efecto previo a éste, además, contara con
un empaque dentro del mismo que permitirá mayor transferencia de calor en el proceso.
Como punto de partida del presente proyecto se tendrá en cuenta el diseño de un condensador
barométrico de contacto directo tipo columna empacada presentado como proyecto de aula por parte
de estudiantes de la universidad de Cartagena para posteriormente proceder a la construcción y
montaje del mismo.
2.2. MARCO TEÓRICO
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2.2.1. Mecanismos de transferencia de calor. a) Conducción. Se propaga el calor o la energía interna por el contacto directo entre las micro partículas que constituyen el cuerpo. En los cuerpos
sólidos, es el mecanismo fundamental de propagación del calor. b) Convección. Transmisión del
calor debido al desplazamiento de pequeños volúmenes de gases y líquidos a distintas temperaturas
que se mezclan. Puede presentarse como convección natural o libre, que se produce por la diferencia
de densidades en diversas partes del volumen del líquido o gas que están a diferentes temperaturas; o
convección forzada como resultado del movimiento forzado de todo el volumen del fluido obtenido
con una bomba, ventilador, agitador, etc. c) Radiación. Transferencia de calor en forma de ondas
electromagnéticas de diferente longitud, debidas al movimiento de los átomos y moléculas del cuerpo
radiante. Todos los cuerpos son capaces de emitir energía, que al ser absorbida por otros, se
transforma de nuevo en calor. Así se realiza el intercambio de calor radiante, constituido por emitir y
absorber las radiaciones [12].
2.2.2. Condensación. Se denomina condensación al proceso físico que consistente en el paso de una sustancia del estado gaseoso a estado líquido. Es el proceso inverso a la ebullición. Aunque el
paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente
se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa
una sobre presión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción. La
condensación es un proceso regido con los factores en competición de energía y entropía. Mientras
que el estado líquido es más favorable desde el punto de vista energético, el estado gas es el más
entrópico. Esto tiene dos consecuencias inmediatas:
La condensación se produce al bajar la temperatura (por ejemplo, con el rocío en la madrugada), esto es, al primar el factor energético frente al entrópico.
La condensación, a una temperatura dada, conlleva una liberación de energía. Esto tiene parte de la responsabilidad de la sensación de temperatura mayor en un ambiente muy cálido y muy
húmedo: la humedad que condensa en nuestra piel nos está transmitiendo un calor adicional.
Adicionalmente, esta humedad hace inútil el proceso natural de refrigeración por sudor y
evaporación. Cuando el aire está saturado y la temperatura desciende se produce el fenómeno
llamado condensación [13].
Se presenta la condensación cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de su
temperatura de saturación, esto suele llevarse a cabo cuando el vapor entra en contacto con una
superficie sólida cuya temperatura T, esté por debajo de la temperatura de saturación de ese vapor.
Pero la condensación también puede ocurrir sobre la superficie libre de un líquido o incluso en un
gas, cuando la temperatura de éstos a la cual se expone el vapor está por debajo de Tsat En este último
caso las gotitas de líquido suspendidas en el gas forman una niebla. En este capítulo sólo se
considerará la condensación sobre superficies sólidas. Se observan dos formas distintas de
condensación: en película y por gotas.
En la condensación en película el condensado moja la superficie y forma una película de líquido
sobre la superficie, la cual resbala hacia abajo debido a la influencia de la gravedad. El espesor de la
película aumenta en la dirección del flujo a medida que más vapor se condensa sobre ella. Ésta es la
forma en la que por lo general ocurre la condensación en la práctica. En la condensación por gotas
el vapor condensado forma gotitas sobre la superficie, en lugar de una película continua, y esa
superficie se cubre de un número incontable de gotitas de diámetros variables.
En la condensación en película la superficie se cubre por una película de líquido de espesor creciente
y esta "pared líquida" entre la superficie sólida y el vapor sirve como una resistencia a la transferencia
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de calor. El calor de vaporización hfg liberado a medida que el vapor se condensa, debe pasar a través
de esta resistencia antes de que pueda llegar a la superficie sólida y ser transferido al medio que está
al otro lado. Sin embargo, en la condensación por gotas éstas resbalan hacia abajo cuando llegan a
tener cierto tamaño, despejando la superficie y exponiéndola al vapor. En este caso no se tiene película
de líquido que oponga resistencia a la transferencia de calor. Como resultado, en la condensación por
gotas se pueden lograr razones de transferencia que son más de 10 veces mayores que las asociadas
con la condensación en película. Por lo tanto, la condensación por gotas es el modo preferido de
condensación en las aplicaciones de transferencia de calor y durante mucho tiempo se ha tratado de
lograr una condensación por gotas sostenida usando varios aditivos para el vapor y recubrimiento s
de la superficie. Sin embargo, estos intentos no han tenido mucho éxito, ya que la condensación por
gotas lograda no fue de larga duración y se convirtió en condensación en película después de algún
tiempo. Por lo tanto, es una práctica común ser conservador y suponer condensación en película en
el diseño del equipo de transferencia de calor.
Figura 1. a) Condensación en película. b) Condensación por gotas
Fuente. CENGEL, A. Yunus. Transferencia de calor. Segunda edición. México. Mc Graw Hill. 2003. Pág. 532.
2.2.3. Tipos de condensación en película.
Condensación en película, el modelo de Nusselt: en 1916, Nusselt logró un resultado analítico del problema de condensación en película de un vapor puro sobre una pared vertical. El
significado de los diferentes términos de este análisis se aclarará observando la figura 21.3. En dicha
figura, el grosor, 6, de la película es igual a cero en la parte superior de la pared vertical, x = 0 y
aumenta al aumentar el valor de x. La suposición inicial de Nusselt era la de que existía un flujo
completamente laminar en la película de condensación. Bajo estas condiciones se puede obtener
fácilmente el perfil de la velocidad en la película de condensación a una distancia particular, x, desde
la parte superior de la pared. La transferencia relacionada de energía como el flujo de condensación
se supone laminar, no es extraño que la transferencia de energía a través de la película, desde la
temperatura de la interface líquido-vapor, Tsat hasta la temperatura de la frontera pared-líquido, e
considere realizada puramente por conducción. Esta misma cantidad de energía debe transferirla el
vapor al condensarse y después enfriarse al a temperatura promedio del líquido. El coeficiente de
transferencia de calor en una superficie de longitud L obtenido finalmente fue:
-
16
(Ec. 1)
Condensación en película: análisis de la capa límite. La película de condensación, fue analizada como capa límite por Sparrow y Greggt.
(Ec. 2)
Rhosenol, Weber y Ling analizaron el caso en el que el esfuerzo cortante entre el vapor ascendente
y la película líquida descendente es grande. Tal situación puede presentarse en la condensación en
tubos verticales o entre placas verticales.
Condensación de Película: análisis del flujo turbulento. Es lógico esperar que el flujo de la película de condensación se convierta en turbulento en las superficies relativamente largas o cuando
la rapidez de condensación es grande. El criterio que se utiliza en los casos de flujos turbulentos es el
de un número de Reynolds correspondiente a la capa de condensación. En función de un diámetro
equivalente. El valor crítico de Re, en este caso, es aproximadamente de 2000. El primer intento para
analizar el caso del flujo turbulento de una película de condensación, fue realizado por Colburn, quien
usó el mismo factor i encontrado en el caso del flujo interno a través de un tubo. Con base tanto en
los experimentos como en el análisis, Colburn formuló la gráfica y su coeficiente transferencia de
calor fue el siguiente[14]:
(Ec. 3)
Condensación de Película: análisis del cilindro horizontal. Nusselt * hizo un análisis que produjo la siguiente expresión que corresponde al coeficiente medio de transferencia de calor en
un cilindro horizontal:
(Ec. 4)
-
17
Condensación en película: bancos de tubos horizontales. En un banco de tubos horizontales hay, naturalmente, un valor de h distinto para cada tubo, y a que la película de
condensación de un tubo cae en el próximo que se encuentra debajo de él.
Nusselt también estudió esta situación en forma analítica y logró una expresión que corresponde a un
banco vertical de n tubos alineados que es la siguiente:
(Ec. 5)
Esta ecuación produce un coeficiente medio de transferencia de calor promediado entre los n tubos.
Chen modificó esta expresión de manera que incluyera el efecto del a condensación en la capa líquida
que se encuentra en medio de los tubos. Su ecuación resultante es [14]:
(Ec. 6)
Los condensadores y su función. La finalidad de un condensador es la de extraer el calor latente del vapor de escape de una maquina motriz. Incidentemente son necesarios aparatos
auxiliares para mantener en el condensador un vacío elevado que impulse los gases no
condensables. El agua obtenida en la condensación o “condensado” se va impulsando
continuamente al exterior por medio de bombas [20].
El constructor de máquinas de vapor debe tener en cuenta, al proyectar una máquina que ésta no sólo
sea capaz de producir el trabajo requerido, sino también que utilice un mínimo de energía térmica y,
en consecuencia, consuma una cantidad mínima de combustible para efectuarlo. Suponiendo que las
pérdidas debido a la fricción, a la conducción y radiación del calor, hayan sido reducidas a un mínimo,
aún queda una pérdida considerable de calor, llamada energía térmica remanente en el vapor de
evacuación, que debe ser considerada. El vapor que descarga de una máquina, después de haber
trabajado en ella, tiene una presión y temperatura inferiores a las que tenía cuando fue admitido a
dicha máquina, pero este vapor está aún en condiciones de efectuar más trabajo, sí puede ser
expandido aún más. Esta capacidad de poder efectuar un trabajo adicional, sí se disminuye la presión
de descarga, es la energía térmica remanente en el vapor de evacuación.
Un condensador de vapor proporciona un espacio cerrado, dentro del cual puede descargar la
máquina, y donde la presión se mantiene tan baja como sea económicamente factible con respecto a
la atmosférica. Esto se lleva a cabo de dos formas. Primero, por condensación del vapor, de donde
-
18
obtiene el nombre de condensador, y segundo, por la extracción del condensado y de los gases no
condensables haciendo uso de bombas.
Si el condensador fuera perfectamente estanco al aire, y sí no hubiera aire o gases no condensables
presentes en el vapor que descarga al condensador, solamente sería necesario condensar el vapor y
extraer el condensado, con el objeto de crear y mantener el vacío. La rápida reducción del volumen
del vapor que se transforma en agua produce vacío, y bombeando el agua de la parte baja del
condensador, tan pronto como se va formando, se podría mantener el vacío así creado. Sin embargo,
como es prácticamente imposible evitar la entrada de aire y otros gases no condensables al interior
del condensador, es necesario hacer uso de una bomba de aire o un eyector de aire para mantener el
vacío en el interior del condensador.
La función primaria del condensador puede ser considerada, por lo tanto, como la de producir y
mantener una baja presión de evacuación. La condensación, o la extracción del calor de vaporización
del vapor de evacuación de una máquina, pueden llevarse a cabo en una u otra de las siguientes
formas:
a) Por medio de una pulverización de agua relativamente fría en una cámara, dentro de la cual se envía el vapor de evacuación de la máquina (intercambiador de calor de contacto directo
o de mezcla)
b) Enviando el vapor de evacuación sobre un cierto número de tubos de metal enfriados interiormente por una corriente relativamente fría de agua de circulación (intercambiador del
tipo indirecto o de superficie).
En ambos casos:
a) La cámara del condensador debe ser cerrada, para evitar la pérdida del vacío debido a las entradas de aire.
b) El vapor condensado, o agua, debe ser extraído en forma continua, para permitir un flujo constante de vapor de evacuación dentro de la cámara de condensación.
c) Se debe agregar los dispositivos que permitan la extracción del aire y los gases no condensables que puedan haber entrado en el condensador, ya sea debido a pequeñas.
2.2.4. Funcionamiento de un condensador. Todos los condensadores, llevan dos circuitos. El primero es el de vapor condensado, en el cual el vapor de evacuación de la turbina entra al
condensador por la parte superior y se condensa a medida que se pone en contacto con la superficie
externa de los tubos; el condensado cae a la parte baja del condensador, al "pozo caliente" y de allí es
aspirado por la bomba de extracción de condensado. El aire y los gases no condensables que entran
mezclados con el vapor de algún otro modo, se extraen por medio del eyector de aire a través de su
aspiración, situada en el casco del condensador, por encima del nivel de condensado[20].
El segundo circuito, es el formado por el agua de circulación. Durante el funcionamiento, un sistema
de inyección por cuchara provee automáticamente la cantidad de agua necesaria para la circulación
por el condensador. La cuchara, que está en comunicación con el mar, dirige el flujo de agua a través
de la tubería de inyección al cabezal y placa de tubos de entrada, de ahí pasa a través de los tubos a
la placa de salida y cabezal de salida de donde se descarga al mar.
La bomba de circulación principal provee la necesaria cantidad de agua a través del condensador
cuando la cuchara por razones de velocidad no es efectiva. Todos los condensadores principales
-
19
provistos de inyección por cuchara, son del tipo de tubos rectos y paso simple. Los tubos son de
cupro-niquel y su número dependiendo de la potencia de la planta propulsora oscila entre 2.000 y
10.000; sus extremos van expandidos en la placa de entrada y expandidos o empaquetados en la de
salida, ambas placas son los elementos que separan el circuito de vapor-condensado del de agua de
circulación.
Para permitir la expansión y contracción del casco y tubos del condensador, se utilizan diferentes
sistemas. El empaquetado en la placa de tubos de salida es uno de los sistemas que permiten la y
contracción de los tubos. Cuando van expandidos en ambos extremos, es necesario colocar una junta
de expansión en la envuelta; asimismo se colocan juntas de expansión en la tubería de inyección de
la cuchara y en la de descarga al mar. Los condensadores van también provistos de soportes flexibles
o deslizantes para absorber las diferencias de dilatación entre la envuelta y la estructura que la soporta.
Existe un paso central de vapor desde la parte superior del condensador y a través del haz de tubos
hasta el pozo caliente, este paso obliga al vapor a extenderse bajo el haz de tubos en la dirección de
la sección de enfriamiento de aire, evitando así que el aire vaya al pozo caliente. Parte de este vapor
se condensa al caer sobre él las gotas de condensado, calentando a este (que ha sido sub enfriado en
los tubos) a una temperatura cercana a la de vaporización correspondiente al vacío existente.
La diferencia entre la temperatura del condensado a la de salida del condensador y la temperatura de
condensación correspondiente al vacío del condensador indica el rendimiento de un condensador y
debe mantenerse lo más pequeña posible. Si esta diferencia de temperatura es demasiado alta, es decir,
el condensado está excesivamente frío, tendremos que calentarlo a lo largo del circuito de
alimentación, con el consiguiente gasto adicional de vapor; asimismo una diferencia alta hace que el
condensado disuelva más aire, con la consiguiente necesidad de eliminarlo para evitar el efecto
corrosivo del oxígeno en tuberías y calderas.
Los condensadores principales llevan interiormente una serie de pantallas, con objeto de separar el
vapor del aire y evitar así que los eyectores de aire aspiren cantidades excesivas de vapor mezclado
con el aire. En algunas instalaciones, el condensador va colgado de la turbina de baja presión de forma
que esta soporta al condensador, en este caso, se colocan soportes uniendo la parte baja del
condensador a la estructura del casco para evitar los daños producidos por los balances. En algunos
condensadores, parte del peso del condensador se absorbe por medio de muelles que unen la parte
baja al casco.
El rendimiento debe calcularse midiendo y comparando las energías que entran y salen de él. La
energía que entra está formada por:
La energía cinética del vapor entrante.
La energía térmica del vapor entrante.
La energía cinética del agua de mar entrante.
La energía cinética térmica del agua de mar entrante.
La energía que sale está formada por:
La energía cinética en la salida del condensador.
La energía térmica del condensado.
La energía cinética del agua de mar a la descarga.
La energía térmica del agua de mar a la descarga.
-
20
Sin embargo considerando un condensador real, las energías cinéticas de entrada y salida del agua de
circulación son pequeñas y podemos considerar que se anulan una con otra, las energías cinética de
entrada del vapor y salida de condensado, pueden asimismo despreciarse; luego en el balance
energético, puede solamente considerarse:
Energía térmica de entrada del vapor y agua.
Energía térmica de salida del condensado y agua salada.
2.2.5. Cálculos para los condensadores. Los condensadores se clasifican mejor por lo que pasa dentro de ellos que por los procesos o servicios que prestan. A menudo, además de la condensación,
pueden también bajar el sobrecalentamiento del vapor o subenfriar los condensados, de manera que
no se necesita otra unidad para recuperar el calor sensible. Una clasificación conveniente en la cual
cada clase es indicativa de diferentes modificaciones en el cálculo, es la siguiente:
Vapores simples (el vapor de un compuesto simple o una mezcla de punto de ebullición constante).
Vapor saturado: Condensación parcial o total fuera de los tubos.
Vapor sobrecalentado: Desobrecalentamiento y condensación fuera de los tubos.
Vapor saturado: Condensación y subenfriamiento fuera de los tubos.
Condensación dentro de tubos: Desobrecalentamiento, condensación, subenfriamiento.
Condensación de vapor de agua.
Mezcla de vapores. Aplicación de la regla de la fase.
Mezclas binarias.
Mezcla de vapor con amplios rangos de condensación.
Mezclas de vapor que forman condensados inmiscibles.
Vapores simples o vapores con gases no condensables.
Mezclas de vapor y gases no condensables que forman condensados inmiscibles [15].
2.2.6. Clasificación de los condensadores. Una amplia clasificación de los condensadores es la siguiente:
Condensadores de mezcla:
a) Condensadores de chorro b) Condensadores barométricos (en los que el condensado escurre por gravedad).
2.2.6.1. Condensador de mezcla tipo barométrico. El condensador barométrico es un equipo de alta confiabilidad para condensar el vapor proveniente de los evaporadores de múltiple efecto y
producir vacío en el sistema. Es un condensador de contacto directo en el que el agua es rociada como
spray y el vapor puede fluir en paralelo o en contracorriente. Una de las principales ventajas del
condensador barométrico es que el agua de inyección se puede descargar a través de una pierna por
gravedad, sin requerir una bomba de vacío. Además que en el condensador barométrico no hay piezas
móviles, por lo que el costo de mantenimiento es bajo; requiere poco espacio y es fácil de instalar.[4]
En un condensador barométrico a contracorriente, el vapor de escape entra al condensador por la parte
inferior se pone en contacto directo con los chorros de agua y se condensa; los chorros de agua
-
21
alcanzan una velocidad suficiente para arrastrar el vapor condensado, no así el aire y los gases no
condensables. No se requiere bomba alguna para evacuar el agua, ya que esta fluye por gravedad.
Estos condensadores son apropiados en lugares en los que hay abundante agua fría de buena calidad
(arroyos de montaña). La condensación puede mejorarse automatizando el agua fría.[4]
A continuación se presentan los esquemas de los condensadores de contacto directo a contracorriente
más comunes.
Figura 2. Condensadores barométricos tipo spray
Fuente:Acosta, Raúl. Diseño de un condensador barométrico de contacto directo tipo columna
empacada. Colombia: Cartagena. 2014.
Figura 3. Condensador barométrico de bandeja
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22
Fuente: Acosta, Raúl. Diseño de un condensador barométrico de contacto directo tipo columna
empacada. Colombia: Cartagena. 2014.
En los condensadores barométricos en contracorriente, el vapor entra al condensador cerca de la parte
inferior, se eleva a través de la corriente de agua que cae y se condensa conforme se aproxima a la
salida inferior. Los gases no condensables se acumulan en la parte superior. El condensador cuenta
con dispositivos para la remoción de estos gases no condensables que entran con el vapor o con el
agua. La rápida reducción del volumen del vapor que se transforma en agua produce vacío, y
bombeando el agua de la parte baja del condensador, tan pronto como se va formando, se podría
mantener el vacío así creado.
En un condensador barométrico de flujo contracorriente, el vapor entra al condensador por la parte
inferior, fluye hacia a arriba y se condensa a medida que cede su calor latente al agua de condensación.
El agua de condensación fluye hacia abajo a una velocidad controlada mientras que los gases no
condensables con extraídos en la parte superior del equipo.
En la pierna barométrica entra la mezcla resultante de la condensación a vacío líquida y se descarga
al pozo de agua caliente. Esto hará que la columna del líquido en la pierna barométrica descienda
automáticamente manteniendo la diferencia hidrostática entre el vacío de operación y la presión
atmosférica. Por lo tanto el condensador necesita una pierna barométrica para remover el agua sin
perder el vacío, manteniendo una carga hidrostática. Si no hay aire o gases no condensables presentes
en el vapor que llega al condensador, solamente sería necesario condensar el vapor y extraer el
condensado, con el objeto de crear y mantener el vacío. Sin embargo, como es prácticamente
imposible evitar la entrada de aire y otros gases no condensables al interior del condensador, fue
necesario hacer uso de una bomba de vacío o un eyector para mantener el vacío en el interior del
condensador.
-
23
2.2.7. Funcionamiento. El vapor de escape de la máquina y el agua de refrigeración o de condensación, se encuentra en un punto situado a diez metros sobre el nivel del agua de depósito
“caliente” inferior, o pozo de condensado. El agua es inyectada a presión en dos puntos y dirigida a
la cámara de vapor, de tal manera que el vapor es aspirado y condensado, usando una columna de
agua (tubo barométrico) para crear un arrastre por vacío del vapor de escape hasta el condensador. Se
emplean dos escalones de inyección, en el segundo escalón se extraen los vapores y gases no
condensables y expulsarlos a la atmosfera. Se puede llegar a obtener un vacío de 6699 a 711mm de
Hg referidos a la presión normal (760 mm de Hg). Puesto que hay una relación definida entre la
temperatura y la presión del vapor, cuanto más baja sea la temperatura del agua de condensación,
tanto más fría será la mezcla de vapor y agua, y tanto más elevado el vacío o más baja la presión
absoluta en el condensador.
Cuando el vapor se mezcla con agua, cede aproximadamente 556 Kcal/Kg y requiere de 100 a 50
litros de agua por kilogramo de vapor para elevar la temperatura de aquella en 5 a 10 °C. A menos
que se emplee agua destilada o muy limpia, el condensado no puede servir de nuevo para la
alimentación. Como el agua de ríos y lagos suele ser demasiado impura para usarla directamente en
las calderas se hace necesario purificar prácticamente el 100% de esta agua de alimentación, lo que
es una operación costosa. Por ello no suelen usarse condensadores de mezcla en las centrales de vapor.
Sin embargo, en algunas centrales industriales como las heladerías de lana, fábricas de celulosa y
papel, que requieren grandes cantidades de agua caliente y estas se hallan por condensación, así queda
justificada plenamente la adopción de los condensadores de mezcla. La contrapresión o vacío contra
el cual trabaja una maquina motriz tiene un efecto considerable sobre su rendimiento total. Con agua
a 21°C, el mejor vacío susceptible de conseguir es de 711mm Hg referido a la presión normal de 760
mm Hg, aunque en muchos casos se trabaja con vacíos de 660 a 686 mm. Para recuperar el
condensado en el ciclo y mejorar el vacío se han sustituido los condensadores de mezcla por los de
superficie [16].
2.2.8. Estructura. A continuación se presenta un esquema de un condensador barométrico de tipo spray de bandeja simple con flujo en contracorriente. Los vapores ingresan al equipo por “A”, luego
van ascendiendo a medida que se van enfriando y condensando por el contacto con el agua fría. El
agua fría ingresa al condensador por “C” y luego cae por los platos. El conducto “B” está conectado
a una bomba de vacío y es por donde salen los gases no condensables.
Figura 4. Estructura de un condensador barométrico en contracorriente
-
24
Fuente: Mccabe, Warren L. Operaciones unitarias en ingeniería química. Séptima edición. México
D.F. Mc Graw Hill interamericana. 2007. p. 456
El conducto “D” son salidas que permiten evacuar el agua de refrigeración junto con los productos
condensables, además de servir como un sello para mantener el vacío en el interior del condensador
barométrico. Este conducto es lo que anteriormente se mencionó como pierna barométrica. La
longitud de la misma puede variar, según la localización geográfica y la presión de vacío a la que se
desee llegar. Generalmente se desea un vacío casi perfecto.
La sección “F” del esquema señalado en la figura 3 representa la bandeja perforada. Esta bandeja
permite distribuir el agua de condensación uniformemente por el cuerpo del condensador. Cuenta con
un agujero central, con agujeros periféricos y con un labio de desbordamiento. Los agujeros
periféricos permiten regular la velocidad a la que fluye el 80% del agua de condensación. Mientras
que el labio de desbordamiento permite que el agua moje las paredes del cuerpo del condensador.
El diseño de los condensadores barométricos puede variar, no significativamente; la estructura
presentada no es la estructura más común que se utiliza en las industrias actualmente, sin embargo,
este diseño representa altas eficiencias y bajos costos de inversión inicial y de mantenimiento.
Las principales diferencias entre los distintos condensadores barométricos consisten en el sistema de
distribución de agua a través del cuerpo del condensador. En el diseño mostrado en la figura 3, el
agua forma cortinas al tiempo que fluye por las distintas bandejas, generando así un tiempo de
contacto adecuado entre ambas fases.
2.2.9. Diseño del condensador barométrico de contacto directo tipo columna empacada. Se optó por el diseño de un condensador de este tipo por sus bajos costos y de construcción, operación
y mantenimiento, además que la presencia del empaque facilita la calidad en la transferencia de calor
y se cuenta con las correlaciones apropiadas para el cálculo de los coeficientes de calor para líquido
y gas. A continuación se muestran los modelos matemáticos pertinentes de las variables necesitadas
para llevar a cabo el diseño del equipo:
2.2.9.1. Temperaturas de las corrientes
2.2.9.1.1. Temperatura del vapor
𝑇𝑣(°𝐶) =𝐵
𝐴−𝑙𝑜𝑔10(𝑃𝑣𝑎𝑡𝑚∗1.01325𝑏𝑎𝑟
𝑎𝑡𝑚
− 𝐶 (Ec. 7)
2.2.9.1.2. Temperatura del agua de enfriamiento
En este tipo de equipos suele emplearse agua de algún otro proceso como agua de enfriamiento, dicha
corriente liquida ronda entre 25-30°C.
2.2.9.1.3. Temperatura del agua de descarga
-
25
Aunque no es una variable que se pueda calcular o controlar, si es un parámetro que interviene en el
diseño del equipo. Una de las aproximaciones es considerarla igual a la temperatura de condensación
del vapor, sin embargo en la práctica se ha encontrado que suele estar de 3-5°C por debajo de dicha
temperatura [17].
2.2.10. Balance de masa del equipo
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑒 𝑉 + 𝐿1 = 𝐿2 (Ec. 8)
2.2.11. Balance de energía del equipo
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑒 𝑉𝜆𝑉 + 𝐿1𝐶𝑝𝐿𝑇𝐿1 = 𝐿2𝐶𝑝𝐿𝑇𝐿2 (Ec. 9)
Del balance de masa, reemplazando L2 :
𝑉𝜆𝑉 + 𝐿1𝐶𝑝𝐿𝑇𝐿1 = (𝑉 + 𝐿1)𝐶𝑝𝐿𝑇𝐿2
Despejando L1
𝐿1 =𝑉(𝜆𝑉−𝐶𝑝𝐿𝑇𝐿2)
𝐶𝑝𝐿(𝑇𝐿2−𝑇𝐿1) (Ec. 10)
Calor retirado:
𝑄 = 𝑉𝛾𝑉 (Ec. 11)
Donde:
-
26
V= Flujo másico de vapor (kg/s)
𝛾𝑉= entalpia de vaporización del agua (kJ/kg)
2.2.12. Diseño de bandeja distribuidora de agua de enfriamiento. El diámetro del equipo es una variable de suma importancia y su valor depende principalmente de la magnitud y forma de descarga
del agua de enfriamiento. Esta última se realiza mediante una bandeja perforada que se encarga de
distribuir uniformemente la entrada del agua, además de darle forma de gotas o chorros. La ventaja
de emplear una bandeja perforada a las boquillas spray deben estar a una altura adecuada del empaque
para poder garantizar que alcanzan a regar el diámetro entero del empaque.
Figura 5. Diseño de la bandeja distribuidora
Fuente: Schutte & Koerting. Barometric Condensers. [En línea]. Disponible en: http://www.s-
k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF.
http://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDFhttp://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF
-
27
2.2.12.1. Características de las perforaciones. Se establecen las siguientes características de las perforaciones de acuerdo a la literatura:
Diámetro de perforación en la bandeja: 𝐷𝑝𝑒𝑟 = 0.125𝑚
2.2.12.2. Numero de perforaciones. El flujo volumétrico del agua de enfriamiento viene dado por:
𝑄𝐿 =𝐿1𝜌𝐿
El flujo volumétrico que puede permitir cada perforación sería:
𝑞 = 𝐴𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙
𝐴𝑝𝑒𝑟 =𝜋
4𝑑𝑝𝑒𝑟
2 área de la sección transversal de la perforación
𝑣𝑙= velocidad de descarga del líquido a través de la perforación, de acuerdo al principio de Torricelli,
es: 𝑣𝑙 = 𝐶𝐷√2𝑔ℎ . Para las dimensiones de perforación se recomienda elvalor del coeficiente de descarga CD=0.5 y la altura de la columna de las bandeja h=0.2m.
𝑞 =𝜋
4𝑑𝑝𝑒𝑟
2 𝐶𝐷√2𝑔ℎ
El número de perforaciones es:
𝑁 =𝑄𝐿1
𝑞 (Ec. 12)
2.2.12.3. Diámetro de la bandeja distribuidora. Considérese una unidad e arreglo como el triángulo equilátero formado por cada tres perforaciones, de acuerdo al arreglo triangular se tiene que
hay tantas perforaciones como unidades de arreglo, de ahí que el área perforada por área de unidad
de arreglo Apu sea:
𝐴𝑝𝑢 =𝐴𝑝𝑒𝑟𝐴𝑢
=
𝜋4 𝑑𝑝𝑒𝑟
2
𝑝2𝑠𝑖𝑛60°/2=
𝜋4 𝑑𝑝𝑒𝑟
2
𝑝2√3/4=
𝜋
2√3∗
𝑑𝑝𝑒𝑟2
𝑝2
Entonces el producto entre el área perforada por el área de unidad de arreglo y el área total de la
bandeja debe ser aproximadamente igual al producto entre el número de perforaciones y el área de
cada perforación.
𝐴𝑝𝑢 ∗ 𝐴𝑏 = 𝑁 ∗ 𝐴𝑝𝑒𝑟
(𝜋
2√3∗
𝑑𝑝𝑒𝑟2
𝑝2) ∗ (
𝜋
4𝐷𝑏0
2 ) = 𝑁 ∗ (𝜋
4𝑑𝑝𝑒𝑟
2 )
-
28
Despejando para el diámetro de la bandeja:
𝐷𝑏0 = 𝑝√2√3 ∗ 𝑁/𝜋 (Ec. 13)
Como factor de diseño se establece que el agujero de purga en el centro de la bandeja debe tener un
diámetro correspondiente al 10% del diámetro total de la bandeja, de ahí se debe aumentar el valor
de este último en un 10% tal que Db=1.1Db0 y el diámetro de purga Dpb=0.1Db. De modo que el 90%
fuera de agujero de purga corresponda al área con las perforaciones calculadas.
2.2.12.4. Diámetro del condensador. Como criterio de diseño se establece que el diámetro del condensador debe ser un 10% mayor al de la bandeja perforada, de ahí que:
𝐷𝐶 = 1.1𝐷𝑏 (Ec. 14)
2.2.13. Altura del lecho empacado. Esta variable es la de mayor importancia para el funcionamiento del equipo, debido a que en ella se realiza el proceso de transferencia de calor.
2.2.13.1. Tipo de empaque. Las correlaciones para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor fueron probados por la Li et al y Alnaimat et al en un condensador de contacto
directo de lecho empacado usando como empaque polipropileno HD Q-PAC obteniendo muy buenas
predicciones. Del empaque se debe conocer el diámetro y el área específica.
Figura 6. Polipropileno HD Q-PAC
Fuente: Schutte & Koerting. Barometric Condensers. [En línea]. Disponible en: http://www.s-
k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF.
2.2.13.2. Altura del lecho empacado. Ésta variable es de suma importancia, ya que debe garantizar que el equipo tenga las dimensiones correctas para realizar el proceso de transferencia de calor que
se requiere. Su procedimiento de cálculo se basa en las analogías con la transferencia de masa,
haciéndolo muy parecido al diseño de torres de absorción y de enfriamiento.
http://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDFhttp://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF
-
29
El método de cálculo se basa en el concepto de unidades de transferencia de calor, tal que la altura
del empaque es:
𝑍𝑇 = 𝑁𝑇𝑈 ∗ 𝐻𝑇𝑈 (Ec. 15) NTU= número de unidades de transferencia
HTU= altura de una unidad de transferencia
Calculo de NTU equivale a la integral:
∫𝑑𝑇𝐿
𝑇𝑉−𝑇𝐿= 𝑙𝑛
𝑇𝑉−𝑇𝐿1
𝑇𝑉−𝑇𝐿2
𝑇𝐿2𝑇𝐿1
= 𝑁𝑇𝑈 (Ec. 16)
La altura de una unidad de transferencia es:
𝐻𝑇𝑈 = 𝐻𝑔 + 𝜆𝐻𝐿 (Ec. 17)
Donde;
𝐻𝑔 =𝐺𝑔𝐶𝑃𝑔𝐻𝑔𝑎
𝐻𝐿 =𝐺𝐿𝐶𝑃𝐿
𝐻𝐿𝑎
𝜆 =𝐺𝑔𝐶𝑃𝑔𝐺𝐿𝐶𝑃𝐿
Para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor se implementa la analogía con la
transferencia de masa propuesta por Chilton y Colburn:
ℎ𝑔 = 𝑘𝑔(𝜌𝑔𝐶𝑝𝑔)1/3 (
𝐾𝑔
𝐷𝑔)
2/3
(Ec. 18)
ℎ𝐿 = 𝑘𝐿 (𝜌𝐿𝐶𝑝𝐿𝐾𝐿
𝐷𝐿)
1/2
(Ec. 19)
De acuerdo a Li et al y Alnaimat et al la correlación de Onda es la apropiada para el cálculo de los
coeficientes de transferencia de masa.
𝑘𝐿 = 0.0051𝑅𝑒𝐿𝐴
2
3 𝑆𝑐𝐿−0.5(𝑎𝑑𝑝)
0.4 [𝜇𝐿𝑔
𝜌𝐿]
1/3 (Ec. 20)
𝑘𝑔 = 5.23𝑅𝑒𝐺𝐴0.7𝑆𝐶𝐺
1/3(𝑎𝑑𝑝)
−2𝑎𝐷𝐺 (Ec. 21)
-
30
Los números adimensionales se definen como:
𝑅𝑒𝐺𝐴 =𝐺𝑔
𝑎𝜇𝐺 (Ec. 22)
𝑅𝑒𝐿𝐴 =𝐺𝐿
𝑎𝜇𝐿 (Ec. 23)
𝑆𝐶𝐿 =𝜇𝐿
𝜌𝐿𝐷𝐿 (Ec. 24)
𝑆𝐶𝐺 =𝜇𝐺
𝜌𝐺𝐷𝐺 (Ec. 25)
𝐹𝑟𝐿 =𝐺𝐿
2𝑎
𝜌𝐿2𝑔
(Ec. 26)
𝑊𝑒𝐿 =𝐺𝐿
2
𝜌𝐿𝜎𝐿𝑎 (Ec. 27)
Los coeficientes de difusividad molecular hacen referencia a una mezcla agua-aire, debido a la
presencia de gases no condensables (aire) junto a la corriente de vapor.
2.2.14. Diámetro de la tubería para la pierna barométrica. Las velocidades de descarga del agua del equipo suelen establecerse alrededor de 2.1m/s. El diámetro de la pierna barométrica es:
𝑑𝑏𝑎𝑟 = √4𝑄𝐿2
𝜋𝑣𝑏𝑎𝑟 (Ec. 28)
Con 𝑄𝐿2 = 𝐿2/𝜌𝐿 (Ec. 29)
Donde QL2 flujo volumétrico del líquido descargado a través de la pierna barométrica (m3/s)
2.2.15. Diámetro de la tubería de alimentación del vapor. Como la velocidad para el diseño de esta tubería se recomiendan 46m/s, entonces el diámetro interno del tubo vendría dado por:
𝑑𝑇𝑉 = √4𝑄𝑉
𝜋𝑣𝑣 (Ec. 30)
𝑄𝑣 = 𝑉/𝜌𝑉 (Ec. 31)
Donde Qv es caudal de vapor, vv velocidad del vapor y 𝜌𝑉 densidad del vapor.
2.2.16. Diámetro de la tubería de descarga del agua de enfriamiento. Las velocidades manejadas para la descarga de agua al equipo son 3.5m/s para una descarga lenta y de baja presión y
6m/s para descarga rápida y de alta presión. Para efecto de diseño se establece una velocidad media
de 4.7m/s.
El diámetro de la tubería es:
-
31
𝑑𝑇𝐿 = √4𝑄𝐿1
𝜋𝑣𝐿 (Ec. 32)
Con 𝑄𝐿1 = 𝐿1/𝜌𝐿 (Ec. 33)
Donde QL1 es el caudal de agua de enfriamiento (m3/s), vL es la velocidad del líquido (m/s), 𝜌𝐿 es la densidad del líquido (kg/m3) y L1 es el flujo másico de líquido (kg/s).
2.2.17. Altura de la pierna barométrica. Para la velocidad de entrada de vapor seleccionada se reporta que se genera un vacío de 600mmHg en el condensador.
Por medio de la aplicación de Bernoulli tomando como punto 1 en el condensador y como punto 2 el
lugar de descarga (piscina a presión atmosférica).
𝑣12
2𝑔+
𝑃1𝜌𝐿𝑔
+ 𝑧2 = ℎ𝑓 +𝑣2
2
2𝑔+
𝑃2𝜌𝐿𝑔
+ 𝑧2
Con ℎ𝑓 = (𝑧2 − 𝑧1) ∗𝑓𝐷𝑣
2
2𝑑𝑏𝑎𝑟𝑔, y v2=v1 la ecuación queda:
𝐻𝑝𝑏 = (𝑧1 − 𝑧1) =𝑃2−𝑃1
𝜌𝐿𝑔∗
1
1−𝑓𝐷𝑣
2
2𝑑𝑏𝑎𝑟𝑔
(Ec. 34)
Dónde:
𝑃2=Presión atmosférica (101325Pa) 𝑃1=Presión en el condensador (Pa) 𝑑𝑏𝑎𝑟=Diámetro de a tubería de descarga (m) 𝑔 =Aceleración de a gravedad (9.8m/s) 𝑔 =Velocidad de descarga del agua a través de la pierna (2.1m/s)
𝑓𝐷=Factor de Darcy para 𝑅𝑒 =𝑑𝑏𝑎𝑟𝜌𝐿𝑣
𝜇𝐿
2.2.18. Altura del condensador
Figura 7 .Secciones de la altura del equipo
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32
Fuente: autores
En la figura 7 se detallan las distintas zonas del equipo y sus correspondientes longitudes. El equipo
consta de dos zonas semi-conicas: la inferior para la descarga del agua del equipo y la superior para
la purga de los gases no condensables. El lecho empacado debe ubicarse por encima de la tubería de
descarga de vapor de tal forma que todo el vapor ascienda a través de el. De otro modo, el área de
transferencia suministrada por el lecho se vería reducida. Se establece una distancia de 20cm entre el
lecho y la bandeja distribuidora, con el propósito de que el agua de enfriamiento tenga un descenso
adecuado hasta el empaque. También se debe incluir los 20cm que corresponden a la columna de
agua que se debe garantizar sobre la bandeja distribuidora y una distancia de 35 cm desde la columna
de agua hasta la base de la sección cónica superior por donde entrara a tubería de descarga del agua
de enfriamiento.
2.2.18.1. Sección cónica superior de equipo. Se sugiere un ángulo de inclinación de esta superficie de 15°, a partir de ello y el conocimiento del diámetro del equipo y de diámetro de purga
se establece la altura de esta sección.
Figura 8. Sección cónica superior
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Fuente: Schutte & Koerting. Barometric Condensers. [En línea]. Disponible en: http://www.s-
k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF.
Aplicando relaciones trigonométricas:
ℎ𝑐𝑠 = 0.5𝑡𝑎𝑛15°(𝐷𝑐 − 𝑑𝑝𝑣) (Ec. 35)
2.2.18.2. Sección cónica inferior de equipo. Se sugiere un ángulo de inclinación de esta superficie de 60°, a partir de ello y el conocimiento del diámetro del equipo y de diámetro de la tubería
de la pierna barométrica se establece la altura de esta sección.
ℎ𝑐𝑖 = 0.5𝑡𝑎𝑛60°(𝐷𝑐 − 𝑑𝑏𝑎𝑟) (Ec. 36)
2.2.19. Potencia de la bomba para la descarga del agua de enfriamiento. Esta herramienta es la encargada de verter el agua de enfriamiento al condensador desde el lugar de almacenamiento, para
este caso en específico se asumirá el caso limite en el que la bomba se encuentra justo en la base del
condensador (al final de la pierna barométrica), ya que dado el caso que se quiera ubicar algunos
metros más arriba seguirá teniendo una potencia suficiente como para operar de manera adecuada.
Asumiendo que la velocidad de carga y descarga de la bomba es igual, su altura dinámica será:
𝐻𝐵 = ℎ𝑓 +𝑃2 − 𝑃1
𝜌𝐿𝑔+ (𝑧2 − 𝑧1)
𝑧2 − 𝑧1 Se establece como la suma de la altura de la pierna barométrica y la altura del condensador.
𝑃2 − 𝑃1 Son las diferencias de presiones entre el condensador y la atmosférica.
http://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDFhttp://www.s-k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF
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ℎ𝑓 De acuerdo a la disposición de la tubería propuesta en la imagen 7 se cuenta con 4 codos de 90°
de coeficiente de fricción K=0.75, se establece una longitud total para las tuberías verticales igual a
la suma de la altura del condensador y la pierna barométrica y para el total de tuberías horizontales
de 1.5, entonces:
ℎ𝑓 = 4𝐾 ∗𝑣𝐿
2
2𝑔+ (𝑍𝑐 + 𝐻𝑝𝑏 + 1.5𝑚) ∗
𝑓𝐷𝑣𝐿2
2𝑑𝑇𝐿𝑔
La potencia de la bomba es:
𝑃 =𝐻𝐵𝑄𝐿1𝜌𝐿𝑔
ɳ∗
1𝐻𝑃
745𝑊 (Ec. 37)
ɳ= eficiencia teórica de la bomba establecida como 0.8. 𝑄𝐿1= Caudal volumétrico del agua de enfriamiento m
3/s.
Figura 9. Instalación de la bomba al condensador
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Fuente: Schutte & Koerting. Barometric Condensers. [En línea]. Disponible en: http://www.s-
k.com/pdf/5AA_BarometCondens.PDF.
2.2.20. Eficiencia de un condensador. La eficiencia para un condensador barométrico está dada por:
ɳ =�̇�𝑣∗ℎ𝑣
�̇�𝐿∗ℎ𝐿∗ 100 (Ec. 37)
Donde:
ɳ = eficiencia del condensador (100%) �̇�𝐿=flujo másico del agua de enfriamiento (kg/min) �̇�𝑣=flujo másico del vapor al condensador (kg/min) hv= entalpía del vapor (kJ/kg)
hw= entalpía del agua (kJ/kg)
2.3. MARCO LEGAL
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El diseño de recipientes a presión, como el de la gran mayoría de los equipos para procesos
industriales, se encuentra regido por normas y códigos. Para el caso de un condensador barométrico,
el código más empleado es el ASME que se encuentra constituido por un conjunto de normas,
especificaciones, fórmulas de diseño y criterios que permite construir un equipo óptimo y eficiente
para las características del proceso y operatividad, la aplicación de dicho código requiere un amplio
criterio para la implementación correcta del mismo en el diseño, específicamente se manifiestan estos
puntos en la sección VIII de la ASME en la división I.
2.4. MARCO CONCEPTUAL
ADAPTABILIDAD. Capacidad de un equipo de ser compatible con el resto del sistema y adaptarse
ante cambios en las variables de manejo en el mismo.
BAROMÉTRICO. Instrumento cuya función es mantener una presión determinada.
BRIDA. Pieza metálica utilizada para ensamblar tubos del mismo o diversos diámetros, fijándolos
con ayuda de otras piezas denominadas pernos.
CALOR. Manifestación de la energía interna que un sistema posee.
CALOR LATENTE. Cantidad de energía que un sistema posee mientras cambia de estado, la cual no
se manifiesta mediante un cambio de temperatura.
COMPATIBILIDAD. Adaptabilidad de un equipo con otros equipos o sistemas ya existentes.
CONDENSADO. Producto del cambio de fase de una sustancia de fase gaseosa hacia fase líquida.
CONFIABILIDAD. Es muy importante que el equipo sea confiable, es decir, que tenga pocas
probabilidades de fallar durante su funcionamiento. Y que no implique riesgos para los operarios y
trabajadores. En una industria, los equipos de condensación y otras máquinas por lo general funcionan
durante todo el día; si un equipo falla inesperadamente durante su funcionamiento generaría pérdida
de tiempo, y por tanto, una reducción en la producción y de las ganancias.
CONTRACORRIENTE. Dos corrientes que fluyen en direcciones opuestas entre sí.
ECONOMÍA. Consiste en seleccionar las alternativas que generan costos menores tanto de operación
como de inversión. Para esto, es necesario llevar a cabo una serie de análisis económicos preliminares,
o también se pueden escoger las alternativas basadas en la teoría o experiencia.
EFICACIA. Capacidad de un equipo de realizar la función para la cual fue diseñado.
EFICIENCIA. Relación entre los insumos consumidos por el condensador, agua y vapor y el producto
obtenido. Para el condensador barométrico la eficiencia se mide en términos energéticos.
ELEGANCIA. Consiste en la elección de las opciones más sencillas e inteligentes. No es conveniente
seleccionar opciones complicadas cuando se puede obtener los mismos resultados con un diseño más
sencillo
ENERGÍA. Capacidad para realizar un trabajo o para producir algún cambio en un observable.
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ENTALPÍA. Magnitud termodinámica, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía
absorbida o cedida por un sistema.
ENTROPÍA. Medida de energía que se pierde en un sistema por la tendencia molecular del mismo
hacia el desorden.
EQUILIBRIO. Ausencia de cambio en cualquier característica de un sistema, a través del tiempo.
ESTABLE. Cuya composición y propiedades no son dependientes del tiempo. Que no presenta
cambios en su estado de reposo o movimiento.
MANTENIBILIDAD. Es preferible seleccionar un equipo cuyo diseño no posea demasiados ángulos
rectos, ya que estos hacen complicado su proceso de limpieza y mantenimiento. Además, utilizar
muchas partes móviles también implica altos costos y mayor tiempo de mantenimiento, ya que estas
piezas por lo general están sujetas a desgastes.
OPERABILIDAD. Es el nivel de facilidad o dificultad que tiene el manejo del equipo. Lo más
adecuado sería crear un equipo fácil de operar, para no tener que necesitar operarios con alto nivel de
capacitación, los cuales pueden ser difíciles de encontrar en un momento determinado.
REFRIGERANTE. Fluido utilizado para disminuir la temperatura de otro cuerpo o sustancia.
SATURACIÓN. Estado en el que un sistema ha alcanzado el nivel máximo con respecto a un
observable.
SEGURIDAD PERSONAL. Consiste en evaluar todos los posibles riesgos que el equipo puede
representar para quien lo esté operando. Es preferible elegir un equipo que constituya menores
riesgos.
SEGURIDAD AMBIENTAL. Consiste en considerar los impactos negativos que el equipo puede
generar sobre el medio ambiente como consecuencia de emisión de gases, sustancias líquidas, calor,
ruido, entre otros.
VACÍO. Condición de encontrarse por debajo de la presión atmosférica.
VERSATILIDAD. Capacidad de un equipo para ser utilizado para diversos fines y bajo diversas
condiciones de proceso y ambientales.
3. DISEÑO METODOLOGICO
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38
3.1. TIPO DE INVESTIGACION
La investigación interactiva implica la realización de acciones en forma individual o grupal con el fin
de modificar una situación o un evento. La investigación interactiva ejecuta acciones para modificar
un evento, recogiendo información durante el proceso, con el propósito de reorientar las actividades.
Además, aplicar un programa, describir el proceso de aplicación, identificar aspectos relevantes que
faciliten o entorpezcan la aplicación, introducir mejoras durante el proceso. Por otra parte, la
investigación también es considerada aplicada o tecnológica, la cual busca aplicar un nuevo
conocimiento técnico con aplicación inmediata a un problema determinado. El presente proyecto es
de gran utilidad porque permite a partir de conocimientos básicos acerca de la condensación por
contacto directo y el equipamiento para ello, llegar a la fundamentación e implementación técnica
para el diseño, construcción y montaje del mismo.
Este tipo de investigación se fundamenta en los resultados de la investigación básica, la cual a su vez
está supeditada a una necesidad social por resolver [19]. Para la comunidad estudiantil de ingeniería
química se hace necesario y lucrativo obtener y poder manipular un equipo condensador para así
poner en práctica los conocimientos y a su vez, ir preparándose para la vida laboral futura en la que
se tendrá que manipular en gran medida, este tipo de equipos.
3.2. DISEÑO ADOPTADO
Se adopta para el presente proyecto un diseño experimental que consiste en someter a un objeto o
grupo de individuos o determinadas condiciones o estímulos (variable independiente), para observar
los efectos que se producen (variable dependiente). Cuando se realiza el diseño construcción y
montaje de un equipo se requiere de la manipulación de variables para su posterior operación. Para
la condensación por contacto directo la variable independiente para que suceda este fenómeno es la
temperatura de la superficie que debe estar por debajo de la del vapor vivo y como dependiente la
presión, cuando se varía la temperatura, la presión sufrirá cambios, si la temperatura de saturación
del vapor vivo está por debajo de la temperatura de la superficie en donde se encuentra el producto
que se quiere condensar y la presión es alta, ésta se llevara a cabo con mayor eficacia y se dará el
fenómeno de condensación.
3.3. ENFOQUE ADOPTADO
Se elige un enfoque cuantitativo ya que, en éste se recogen y analizan datos cuantitativos sobre
variables, su objetivo es estudiar las propiedades y fenómenos cuantitativos y sus relaciones para
proporcionar la manera de establecer, formular fortalecer y revisar la teoría existente [20].
El análisis del funcionamiento del equipo de condensación requiere de estudiar variables
cuantitativas del mismo como la temperatura, presión, alimentación, propiedades de fluidos,
eficiencia y producto obtenido las cuales deben ser comparadas con la teoría para conocer la
efectividad que tiene y que tan lejos se encuentra de la realidad es por ello que un enfoque cuantitativo
del presente proyecto es el más eficaz a la hora del estudio de datos.
3.4. TECNICAS DE RECOLECCION DE LA INFORMACIÓN
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3.4.1. Fuentes primarias. Se utilizará la experimentación y observación del funcionamiento del condensador como técnica de recolección de datos en la cual se tomará información cuantitativa de
distintas pruebas antes, durante y al final de la puesta en funcionamiento de éste mediante los
instrumentos de medición de temperatura, presión, nivel, etc. A partir de ellos se obtendrán los datos
requeridos para los cálculos pertinentes y así decidir si cumple con la operación solicitada.
3.4.2. Fuentes secundarias. Además de las fuentes primarias se contará con fuentes de segunda mano como libros, tesis, ensayos, artículos científicos y demás, que ayudaran en la profundización
de la