CAMPOS LLONTOD, ENRIQUE EXEBIO CESPEDES, RENATO

PORRO SECLEN, ALEX QUISPE DIAZ, ANA MARIA

UNIVERSIDAD CATOLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO

TERMODINAMICA I

TEMA: EVAPORADORES

INTEGRANTES:

DOCENTE: ING. LUCIO ANTONIO LLONTOP

CICLO: 2015- II

AÑO

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

OBJETIVO GENERAL

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

I EVAPORADORES

1.1. OBJETIVO DE LA EVAPORACION 6

A. FINES DE LA EVAPORACION 6

B. COMPONENTES BASICOS DE UN EVAPORADOR 6

1.2. TIPOS DE EVAPORADORES 7

1.2.1. EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES. 7

1.2.2. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES. 8

1.2.2.1. EL EVAPORADOR DE CESTA. 9

1.2.2.2. EVAPORADOR MÚLTIPLE EFECTO 9

A. Alimentación directa. 9

B. Alimentación a contracorriente. 10

C. Alimentación mixta. 11

D. Alimentación en paralelo 11

1.3. CARACTERISTICAS SEGÚN EL TIPO DE EVAPORADORES 13

A. VENTAJAS 13

B. DESVENTAJAS 13

C. APLICACIONES 13

D. DIFICULTADES 13

1.4. BALANCE DE ENERGIA 14

CONCLUSIONES 15

BIBLIOGRAFÍA 16

ANEXOS

INTRODUCCIÓN

Este documento es realizado para la materia de Termodinámica de la carrera de Ingeniería

Mecánica Eléctrica, con el propósito de saber los fundamentos de los evaporadores, él cual es

una clase de cambiador de calor, teniendo un peso importante en el desempeño como

profesional.

La necesidad de transferir calor en un proceso, se subsana mediante equipos llamados

intercambiadores de calor, aquellos en los que se presenta la evaporación se denominan

evaporadores, su uso se extiende desde aplicaciones domesticas a industriales.

El papel de los intercambiadores de calor es importante frente a la necesidad de aumentar la

eficiencia energética, no solo en función del análisis térmico y económico de la instalación sino

en función de otros factores como la disponibilidad de energía y materia prima necesarias para

cumplir una determinada función.

La evaporación es una importante operación unitaria, es un tipo de transferencia de calor

bastante frecuente en la industria de proceso. Entre los procesos típicos de evaporación están

la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio,

glicerina, gomas, leche, café, jugos de frutas entre otras. En estos casos la solución

concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse.

En otros casos, el agua que contiene pequeñas cantidades de minerales se evapora para

obtener agua libre de sólidos, empleada en la alimentación de calderas. Actualmente se están

desarrollando y usando procesos de evaporación de agua de mar para obtener agua potable.

La resolución práctica de un problema de evaporación está profundamente afectada por el

carácter del líquido que se concentra. Algunas propiedades más importantes de los líquidos

que se someten a evaporación:

Concentración. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de solidos hasta que la

solución se trata o se hace demasiado dificultosa para la adecuada trasmisión de calor. La

ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales que es

preciso retirar con el fin de evitar la obstrucción de los tubos. A medida que aumenta la

proporción de los sólidos aumenta también la temperatura de ebullición de la solución.

Formación de espuma. Algunos materiales, especialmente substancias orgánicas, forman

espuma durante la vaporización. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que

origina un gran arrastre.

Sensibilidad a la temperatura. Muchos productos se estropean cuando se calientan a

temperaturas moderadas durante espacios de tiempo relativamente cortos. En la

concentración de estos materiales es preciso utilizar técnicas especiales para reducir la

temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento.

Formación de costras. Algunas soluciones depositan costras sobre las superficies de

calentamiento. Por este motivo, el coeficiente global disminuye paulatinamente. Cuando la

costra es dura e insoluble, la limpieza resulta difícil y costosa.

Materiales de construcción. Siempre que es posible, los evaporadores se construyen en hierro

colado o acero. Solo en casos en que las soluciones atacan a estos materiales o son

contaminadas por ellos, es preciso utilizar materiales especiales tales como cobre, níquel,

acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo.

Esta monografía estudia someramente la teoría de la evaporación en la sección 1.1; en la 1.2

una breve explicación de los tipos de evaporadores; en la 1.3 se estudia los cálculos en un

evaporador de simple efecto; en la 1.4

Además el presente trabajo se centra en los diferentes tipos de evaporadores como

mecanismos que intervienen en la generación de energía que es de gran interés para nosotros

ingenieros.

OBJETIVO GENERAL

Analizar y comprender el uso de los evaporadores.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Definir los evaporadores.

Analizar y comprender el funcionamiento de los evaporadores.

Conocer las ventajas y desventajas de los evaporadores.

Conocer los materiales que utilizan los evaporadores

Conocer las aplicaciones en la industria.

ANTECEDENTES HISTORICOS:

Los primeros carruajes y autos no eran precisamente cómodos, el conductor estaba expuesto a

las condiciones ambientales: frío, calor, polvo, ruido, etc. Al cerrar la cabina del carruaje, el

calor generado en su interior obligó a los fabricantes a pensar cómo evitarlo. Al principio se

colocaron aberturas en el piso pero esto trajo más polvo. En 1884 William Whiteley tuvo la

idea de colocar cubos de hielo en un contenedor debajo de la cabina del carruaje y soplar aire

adentro por medio de un ventilador conectado al eje. Una cubeta cerca de las aberturas del

piso fue el equivalente en el automóvil. Poco después la compañía Nash inventó un sistema de

enfriamiento por evaporación llamado Wheater Eye (“ojo climático”) en el que se producía un

efecto de disminución de la temperatura en el aire, haciéndolo pasar sobre agua, este sistema

todavía se encuentra disponible en las VAN y los RV. El primer auto con sistema de

refrigeración como los actuales fue el Packard 1939, en el que una espiral enfriadora que no

era más que un evaporador muy largo que envolvía toda la cabina y cuyo sistema de control

era el interruptor de un ventilador. En 1941 Cadillac produjo 300 autos con aire acondicionado

(para apagar el sistema se tenía que parar el auto y salir de este). Después de la segunda

guerra mundial promocionó controles para aire acondicionado localizados en el asiento

trasero.

Fuente: http://spanish.alibaba.com/product-gs/transport-refrigeration-unit-van-new-and-used-air-condition-units-1993562140.html

I EVAPORADORES

1.1. OBJETIVO DE LA EVAPORACION

El objetivo de la evaporación es concentrar una solución que consta de un soluto no

volátil y un disolvente volátil. En la mayoría de las evaporaciones el disolvente es agua.

La evaporación se lleva a cabo evaporizando una parte del disolvente con el fin de

obtener una solución concentrada.

Generalmente, en evaporación el líquido concentrado es el producto valioso mientras

que el vapor se condensa y desprecia. Por ejemplo en la industria química la

manufactura de agentes químicos tales como la soda caustica, sal de mesa y azúcar,

empieza con soluciones acuosas diluidas de las que deben eliminarse grandes

cantidades de agua antes de poder llegar a la cristalización en equipo adecuado para

este fin. Sin embargo, en algún caso concreto la porción no evaporada de alimento es el

residuo y el vapor desprendido es el producto valioso. Tal es el caso en que el agua

conteniendo sales se somete con frecuencia a evaporación con el fin de obtener un

producto libre de sólidos para alimentación de calderas, para procesos especiales, o

para consumo humano.

A. LA EVAPORACIÓN SE LLEVA A CABO PARA TRES FINES PRINCIPALES:

a) La concentración previa de un líquido antes de proceder a operar con él, por

ejemplo en la cristalización.

b) La disminución del volumen del líquido para reducir los costos de

almacenamiento, embalaje y transporte.

c) Para aumentar la concentración de los sólidos solubles de los productos, al fin

de facilitar su preservación por ejemplo, en el caso de los alimentos la leche

condensada edulcorada.

B. COMPONENTES BÁSICOS DE UN EVAPORADOR

Los evaporadores industriales están normalmente compuestos por:

a. Un cambiador de calor para suministrar calor sensible y calor latente de

evaporación al alimento; como medio de calefacción se utiliza normalmente en

la industria de los alimentos, el vapor de agua saturado.

b. Un separador en el que se separe el vapor de la fase liquida concentrada.

c. Un condensador para llevar a cabo la condensación del vapor y su separación,

componente que se puede omitir si el sistema trabaja a la presión atmosférica.

1.2. TIPOS DE EVAPORADORES

Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de

evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la

otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.

Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la

cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras,

diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.

Podemos clasificar los evaporadores en dos grandes grupos:

1.2.1. EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES.

El vapor calefactor es vapor de agua saturado que cede su calor de condensación y sale

como agua líquida a la misma temperatura y presión de entrada. Este evaporador se

denomina de tubos horizontales porque los tubos están dispuestos horizontalmente.

En el siguiente evaporador, la cámara de calefacción está formada por los tubos

horizontales, que están soportados por dos placas. El vapor entra en los tubos y se

condensa al cedes su calor de condensación. Puede quedar vapor no condensable, que

se elimina mediante una purga. La cámara de evaporación formada por un cuerpo

cilíndrico vertical, cerrado por las bases, con una salida para el disolvente evaporado

por la parte superior y otra salida para la disolución concentrada en la parte inferior.

Estos evaporadores suelen ser de chapa de acero o hierro con un diámetro

aproximado de 2 metros y 3 metros de altura. El diámetro de los tubos acostumbra a

ser de 2 a 3 centímetros.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/horitzontal.swf

En el siguiente evaporador el vapor entra por dentro de los tubos, y al ceder calor al

líquido que circula por encima de los tubos, el vapor se condensa. Del evaporador sale

la disolución concentrada y el disolvente evaporado.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/tubs_horitzontals_calderi.swf

1.2.2. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES.

Se denominan así porque el haz de tubos está dispuestos verticalmente dentro de la

coraza. El evaporador que se encuentra a continuación se denomina Evaporador

Standard, que es uno de los más conocidos. La evaporación tiene lugar dentro de los

tubos, saliendo por la parte superior el disolvente evaporado y por la parte inferior la

disolución concentrada. El vapor calefactor entra por encima del haz de tubos y sale

como agua condensada.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/estandard_tubs_verticals.swf

1.2.2.1. EL EVAPORADOR DE CESTA.

Que se encuentra a continuación, es otro tipo de evaporador de tubos verticales, en

el cual la coraza tiene forma cónica. Este tipo de evaporador se utiliza cuando lo que

se pretende es llevar la evaporación al extremo, es decir, evaporar todo el disolvente

de la disolución diluida para obtener cristales. Los cristales formados se recogen por

la parte inferior. El elemento calefactor se trata de un cuerpo compacto que se

puede extraer.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/vertical_cesta.swf

1.2.2.2. EVAPORADOR MÚLTIPLE EFECTO

Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el

primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el

funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor

calefactor del segundo efecto.

Métodos de alimentación en los múltiples efectos:

A. Alimentación directa. El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo

sentido de circulación que el vapor, saliendo el producto en el último efecto. El

líquido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es necesario

aplicar ninguna energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al otro.

Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer efecto

y otra para extraer el producto del último efecto.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/evaporador_tubs_horitzontals_serie.swf

B. Alimentación a contracorriente. El líquido a evaporar entra en el último efecto

y sale concentrado por el primero. El líquido a concentrar y el vapor calefactor

circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido de presiones

crecientes y esto requiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la

disolución concentrada de un efecto al siguiente. Esto supone una

complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar

las bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones,

se prefiere el sistema de alimentación directa.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/corrents%20a%20contracorrent.swf

C. Alimentación mixta. Cuando en una parte del sistema de alimentación es

directa y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es útil si tenemos

disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos

encontramos que el último efecto, donde hay menos temperaturas la

viscosidad de la disolución concentrada aumenta, lo que hace disminuir

sensiblemente el coeficiente global, U, en este efecto. Para contrarrestar eso,

se utiliza la alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida

entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa,

pasando después del último efecto al primero, para completar la evaporación

a temperatura elevada.

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/flash_web_evaporadors/corrents%20mixtes.swf

D. Alimentación en paralelo: Cuando el alimento entra simultáneamente a todos

los efectos y el líquido concentrado se une en una sola corriente.

ESQUEMA DE UN EVAPORADOR

Fuente:http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/

flash_web_evaporadors/corrents%20en%20paral%C2%B7lel.swf

Sistema utilizado en la Concentración de disoluciones de sal común, donde los

cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación

directa.

En general, para decidirnos por un sistema de alimentación u otro, es necesario efectuar el

cálculo previo del rendimiento de evaporación para cada uno de los sistemas.

Si la temperatura de entrada del alimento es bastante inferior a la de ebullición en el primer

efecto, en el caso de corrientes directas todo el calor que se da en el primer efecto va

destinado a calentar el alimento (calor sensible) y muy poco a producir vapor, lo que provocará

un bajo rendimiento en el proceso global del múltiple efecto. En este caso se prefiere la

circulación a contracorriente.

Por lo contrario, cuando la disolución entra en el sistema a temperatura superior a la de

ebullición del último efecto, será más conveniente la alimentación directa, ya que lo que

pasaría sería que la disolución al entrar al último efecto lo vaporizaría parcialmente,

produciendo un vapor que no tiene utilidades posteriores, entonces la disolución lo enfriaría

hasta la temperatura de la cámara de evaporación del último efecto y posteriormente se

tendría que ir calentando al entrar a cada efecto.

Liquido

Vapor

AlimentaciónCalor

1.3. CARACTERISTICAS SEGÚN EL TIPO DE EVAPORADORES

TIPO DE EVAPORADOR

VENTAJAS DESVENTAJAS MEJORES APLICACIONES DIFICULTADES

CIRCULACION FORZADA

*Coeficientes de transferencia de calor elevados.*Circulación positiva.*Libertad relativa de ensuciamiento

*Costo elevado*Energía necesaria para la bomba de circulación.*Tiempo de residencia o retención relativa alto

*Productos cristalinos.*Soluciones corrosivas.*Soluciones viscosas.

*Atascamiento de las entradas de los tubos por deposiciones de sales.*Mala circulación, debido a pérdidas de cargas más altas que las esperadas.*Formación de deposiciones de sales, debido a la ebullición en los tubos.*Corrosión y erosión.

VERTICALES DE TUBO CORTO

*Coeficientes de transferencia de calor elevados con diferencias altas de temperatura.*Espacio superior bajo.*Libertad relativa de ensuciamiento*Eliminación mecánica sencilla de las escamas.*relativamente poso costoso.

*Mala transferencia de calor con diferencias bajas de temperaturas y a Temp. Bajas.*Espacio elevado de terreno y peso

alto.*Retención relativamente alta.*Mala transferencia de calor con líquidos viscosos.

*Líquidos limpios.*Productos cristalinos.*Líquidos relativamente no corrosivos, puesto que el cuerpo es grande y costoso, si se construye de materiales que no sean hierro colado o acero dulce.*Soluciones con formación ligera de escamas, que requieren una limpieza mecánica, puesto que los tubos son cortos y de diámetros grandes.

VERTICALES DE TUBO LARGO

*Bajo costo.*Superficie amplia de calentamiento en un cuerpo.*baja retención.*Necesidad de poco espacio de terreno.*Buenos coeficientes de transferencia de calor con diferencias razonables de temperaturas (Película ascendente)*Buenos coeficientes de transferencia de calor a todas las diferencias de temperaturas (Película descendente)

*Espacio superior elevado.*No son adecuados para liq. Que forman deposiciones de sales o escamas.*Requiere recirculación para la versión de película descendente

*Con líquidos limpios.*Con líquidos espumosos.*Con soluciones corrosivas.*Con grandes cargas de evaporación.*Con diferencias elevadas de temperatura (Ascendente) Con diferencias bajas de temperaturas (descendentes)

*Sensibilidad de las unidades de película ascendente a los cambios de las condiciones operacionales.*Mala distribución del material de alimentación a las unidades de película descendente.

TUBO HORIZONTAL*Espacio superior muy bajo.*Buenos coeficientes de transferencia de calor.

*No son adecuados para los líquidos que dejan deposiciones de sales.

*Espacio superior elevado.*Pequeña capacidad.

1.4. BALANCE DE ENERGIA

-

CONCLUSIONES

1) Sxlsckmsclas.

2) Acxasdcac

3) Axcascxasd

4) Acx

5) Adc

6) Ax

7) A

8) Sx

9) Ax

15

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BIBLIOGRAFÍA

1. WARREN L.; JULIAN C. y PETER H. Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. México, Edit.

Mcgraw-Hill/Interamericana, 6° Ed. 2005

2. ALAN S., LEONARD A. WENZEL y otros. Principios de Operaciones Unitarias. México, Edit. Continental,

2° Ed. 2006

3. GUITIERREZ, LUIS; MARTINEZ J. y otros. Elementos de Ingeniería Química. España, Edit. ema miguel

yuste 31, 5° Ed. 1976

4. DOMINGO MOLINA, FRANCISCO. Termotecnia: Fundamentos y sistemas de transmisión de calor.

Almería, Universidad de Almería, 1° Ed. 2010

I. Linkografia

a. http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/evaporadors.html b. http://runsa.com.mx/08intranet/programa_de_capacitacion/pdfs/

05_sistema_aire_acondicionado/04conceptos_basicos_de_un_evaporador.pdf

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