DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN CALENTADORES DE JUGO DE CAÑA

En el central azucarero “Siboney” se vienen presentando problemas con la transferencia de calor en los intercambiadores de tubo y coraza que se encargan de calentar el jugo mezclado. Dificultades en la molida por las altas temperaturas del agua de imbibición (aproximadamente 100ºC) indica, entre varios factores, un elevado nivel de obstrucción en las líneas internas de guarapo, debido a la abundante formación de incrustaciones. Esto provoca que el agua de imbibición funda la cera contenida en la caña, las mazas se embotan y patinan, se acumulan grandes cantidades de meollo en las bandejas y se mantiene latente el riesgo de que el bandejero sufra un accidente, acelerando el desgaste de las mazas. Por tanto, el objetivo de este trabajo es determinar la variación de los coeficientes de transferencia de calor así como el factor de obstrucción del intercambiador de calor en el tiempo. Para esto se requiere de la implementación de un procedimiento que se describe a continuación.

Se trabajó con el calentador líquido-líquido instalado, pasando jugo por los tubos y agua caliente por la coraza, el cual consta en su diseño original con dos cuerpos de tubo y coraza de tipo 1-2 y 1-4 conectados en serie y con 76 tubos de 32 mm y 5,75 m de longitud cada uno. Este se encarga de elevar la temperatura del guarapo de 35 a 50 ⁰C disminuyendo la temperatura del agua que luego se utiliza en la imbibición (Hugot 1974). La figura 1 muestra el intercambiador.

La metodología empleada se basa en un análisis del incremento paulatino de los efectos del ensuciamiento en los equipos durante el funcionamiento normal, siendo esta evolución diferente en cada equipo, en función de la naturaleza de las corrientes que intervienen y las características constructivas del mismo (Berraquero, 2003). Este método establece una serie de parámetros a considerar como indicadores de condición, basados en el procedimiento desarrollado por Kern (1999) para el diseño y evaluación de intercambiadores de calor.

Por conveniencia, los cálculos se basan en la corriente que circula por los tubos, ya que esta solo intercambia calor con la corriente de la carcasa, no presenta pérdidas energéticas al ambiente, y son más pronunciados los efectos de la variación de la geometría de la sección de flujo (González, 2012). El procedimiento a seguir es el siguiente:

Con los datos recogidos, y después de realizar el correspondiente balance de energía, se procede a hallar la diferencia real de temperatura, en función de la Media Logarítmica de la Diferencia de Temperatura (^oC):

La mayoría de los autores determinan el valor de F_T (adimensional) a partir de diagramas en función de R y S (adimensionales) (Kern, 1999). También puede calcularse, para intercambiadores 1-2n, por la ecuación (Moncada, 2005):

Donde:

$R=\frac{T_{C1}-T_{C2}}{T_{f2}-T_{f1}}$ y $S=\frac{T_{f2}-T_{f1}}{T_{C1}-T_{f1}} \left(14\right)$

Conocidos los datos del equipo, se calcula el coeficiente de transferencia de calor total (W/m^2·ºC) (Dahake, 2013; Reyes y col., 2014) donde A es el área de transferencia de calor (m²):

Para determinar la caída de presión en los tubos ΔP_t (Pa):

El valor del coeficiente f para el caso de los tubos se busca según el valor del Número de Reynolds (adimensional) determinado a temperatura media de la corriente (Kern, 1999).

El coeficiente “m” también depende del régimen de flujo, siendo igual a 0,25 para Re<2100 y 0,14 para Re>10000. Para determinar la caída de presión en la coraza se parte del área de flujo (m²):

Donde C es el espacio entre los tubos $C=P_t-D_{etub}$ (m) y D_cor el diámetro de la coraza (m²). El valor del diámetro equivalente, teniendo en cuenta el arreglo triangular, se calcula como:

Luego la velocidad másica en la coraza G_cor (kg/m^2·s) se determina por:

Con este valor, la segmentación y el tipo de arreglo es posible localizar el valor de f_cor de forma gráfica y calcular:

Para la coraza puede considerarse (Moncada, 2005):

Estos valores representan las diferentes caídas de presión en cada corriente según el diseño del equipo en condiciones ideales, por lo que pueden emplearse como referencia para valorar la condición de este parámetro durante la explotación. Varios autores consideran que, en ambos casos, el término $\left(\raisebox{1ex}{$\mu $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\mu }_w$}\right.\right)$ es despreciable y puede omitirse, dada la similitud en los valores de µ y µ_w (Kern, 1999; Moncada, 2005; Kern, 2005; Segura, 2012).

La influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de los intercambiadores de calor se determina mediante el coeficiente global de transferencia de calor, en función de los parámetros de entrada y salida del equipo (Torres y col., 2011).

Mediante un ajuste del tipo exponencial asintótico se obtiene la supuesta curva de ensuciamiento. Al comparar la curva con los valores obtenidos mediante los modelos matemáticos reportados en la literatura es posible determinar cuál de estos describe mejor el comportamiento de la variable. Con esta información se puede estimar, con mayor precisión, el comportamiento futuro de la unidad ante cambios en los caudales y temperaturas.

El factor de ensuciamiento e incrustaciones R_d (m²ºC/W) se obtiene mediante la comparación del valor del coeficiente global de transferencia de calor, obtenido de forma experimental cuando el equipo está limpio (U_máx), con los valores experimentales de la ecuación en función del tiempo (Torres y col., 2011).