Calentadores de Jugo

CALENTADORES DE JUGO I.

CALENTADORES DE JUGO Son equipos destinados a calentar continuamente el jugo alcalizado hasta un nivel cercano a su punto de ebullición (105 °C) que viene del tanque alcalizador utilizando como medio de calentamiento el vapor de escape o vapor vegetal. vegetal.

II.

OBJETIVO DEL CALENTAMIENTO DE JUGO 

Acelerar las reacciones químicas.



Coagular proteínas.



Floculación de coloides con carga 0



Reducir la solubilidad de las sales de calcio.

Es la operación que se lleva l leva a cabo para suministrar el calor suficiente al jugo mezclado para elevar su temperatura hasta 103 -106 ºC y completar así la reacción entre la lechada de cal y los fosfatos presentes en el jugo. Esta puede llevarse a cabo en etapas conocidas como calentamiento primario y rectificado. Con independencia del diseño, el esquema de uso del vapor y el esquema de limpieza, la estación de calentadores debe operarse de forma tal que la superficie de transferencia en operación siempre esté limpia.

III.

TIPOS DE CALENTADORES DE JUGO 

CALENTADORES DE MULTIPLE PASO



CALENTADORES TIPO WEBRE Los calentadores tipo Webre son los más usados en la industria azucarera en Cuba, están formados por un banco de tres cuerpos cilíndricos superpuestos uno encima de otro en posición horizontal, que no son más que intercambiadores de calor de tubos y coraza. En cada cuerpo o intercambiador el jugo pasa dos veces a través de los tubos y hay tres deflectores o baffles para dirigir el flujo de vapor por el interior de la coraza. En el interior de cada cuerpo existen un número determinado de tubos por pase, los cuales se fijan mandrilados a dos placas de acero perforadas. Con esto se logra independizar el flujo de vapor y el del jugo. El número de pases en cada cuerpo se obtiene por medio de los cabezales, que guían al jugo en direcciones opuestas a través del haz de tubos. El jugo entra por el cabezal del cuerpo inferior y asciende, mientras que el vapor entra por el cuerpo superior y desciende, saliendo del inferior como agua condensada. Aunque los equipos de cuerpos múltiples del tipo Webre aparentan presentar una mayor complejidad de construcción que los equipos de un solo cuerpo, como los Honolulu, las ventajas que indudablemente presentan en la

ocupación de una menor área operacional, y sobre todo, la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energía térmica, los hace gozar de una mayor estimación para su utilización en nuestras fábricas de azúcar.

Además tienen una disminución de la carga hidrostática de bombeo, facilidades  para su limpieza y reparación y mayor transmisión de calor debido a mayor  velocidad del flujo de vapor.

IV.

VELOCIDAD DEL JUGO La velocidad del jugo y el vapor en los intercambiadores tiene gran importancia. Una baja velocidad reduce el índice de transferencia térmica y al mismo tiempo contribuye a un mayor grado de incrustación, mientras que de lo contrario, una mayor velocidad determina una mayor eficiencia en la transmisión térmica y reduce las incrustaciones. Se ha estipulado que generalmente la velocidad del jugo por los tubos de los cuerpos de los calentadores esté entre 1,5 y 2,7 m/s, de acuerdo a la experiencia práctica en los centrales cubanos. También tiene importancia la necesidad de eliminar los gases incondensables y los condensados, para no afectar la transferencia de calor. Para el cálculo de la velocidad del jugo por los tubos de cada intercambiador en m/s se utiliza la siguiente expresión:

Donde: 2

AFP: es al área de flujo por pase en cm de cada cuerpo o intercambiador del calentador. Wj: flujo másico de jugo (kg/s) ρ j: densidad del jugo (kg/m3)

V.

DIMENSIONES DE LOS CALENTADORES

VI.

CALCULO DE LOS CALENTADORES a) Coeficiente de transmisión de calor (k) Todos los autores están de acuerdo en señalar la marcada influencia que ejerce la velocidad V, desde circulación de jugo en los tubos, sobre el

coeficiente de transmisión k. Sin embargo las opiniones difieren en lo que concierne a la ley que expresa la relación de estos dos factores. 

Hausbrand que ha hecho investigaciones muy profundas, da por valor:

K= 750 (V+0.007) ⅓ V: velocidad del jugo en los tubos (m/seg.) Sin embargo Hausbrand trabajó en sus investigaciones, con tubos limpios; el autor ha tenido la ocasión de verificar varias veces que, en las condiciones normales de la fábrica, la raíz cubica es de una potencia insuficiente para caracterizar la acción de la velocidad sobre el coeficiente de transmisión. En Australia se toma ISJ (1936), el valor de:

k= 900(V)1/2 Y, con un coeficiente 900 o cercano, esta ley parece aproximarse mejor a la realidad práctica. 

Speyerer da para V= 1m/seg:

k=220 + 3.5T El autor sugirió en la edición francesa:

k=57(V+0.04)1/2 T: temperatura del vapor que calienta (°C)

Sin embargo esta fórmula tiene la desventaja de tomar en cuenta solo el efecto de transmisión entre el tubo (o la incrustación)y el jugo en el que la velocidad de éste es importante. Es conveniente también tomar en cuenta la resistencia ofrecida a la transmisión del calor: a. Entre el tubo y la incrustación. b. Entre el vapor y el metal. c.

A través del tubo.

d. A través de la incrustación que introduce un término que se suma y no se multiplica al factor de la resistencia total. 

Crawford y Shann obtuvieron una expresión de la forma:

1/k = 0.01 + 1/0.06(V)0.8 Esta expresión, obtenida en semanas de unas 140 h, con tubos limpiados cuidadosamente, da un valor muy alto para la práctica común y no tomará en cuenta la influencia del vapor que calienta. Aceptando su forma lógica y ajustándola para que esté en las condiciones de operación, puede describirse:

k=T / 0.1 + (0.08/V)

Ec. 264

K: coeficiente de transmisión de calor en el calentador, en 2

kcal/m /h/°C T: temperatura del vapor que calienta, m°C V: velocidad del jugo en los tubos, en m/ seg El

índice

0.8

es

realmente

un

refinamiento

necesario

para

determinaciones científicas o precisas, pero en los cálculos industriales solo introduce una complicación superflua. El primer término del denominador (0.1) corresponde a la resistencia del calor transmitido debida a los factores a, b y c, discutidos antes. Evidentemente varía, durante la semana, y durante la zafra, dependiendo de la intensidad de la formación de incrustaciones; el valor indicado por la fórmula es una cifra media en operación. El segundo término corresponde a la resistencia de transmisión de calor del segundo tubo (o de la incrustación) al jugo y es la única en la cual interviene la velocidad de éste. Una indicación de la variabilidad del término 0.1 se da en la siguiente tabla, dada por Perk y está originada en una investigación llevada a cabo en Java en 1940 y en la que se determinó el valor total del coeficiente k, en diversos calentadores verticales de 9 fábricas:

Calentadores

con

vapor

de

225-1

VALOR DE k 2 (Kcal/m /h/°C) 127

escape Calentadores con primer efecto Calentadores con segundo efecto Calentadores con tercer efecto Calentadores con último efecto

vapor

del

212-1

080

vapor

del

201

630

vapor

del

129

612

vapor

del

276

517

Por la variabilidad del coeficiente k, es co nveniente determinarlo en los calentadores instalados en la fábrica y deducir de él el valor del término independiente de V en el denominador (cercano a 0.1) y, con los diversos valores encontrados aplicar la ecuación 264 usando el valor que aparezca más probable en el caso en consideración.

b) Temperatura de agua condensada En la práctica el cálculo de los calentadores muestran que para no llegar a superficies de calentamiento excesivas, es necesario conservar un cierto margen entre la temperatura T del vapor y la temperatura t que se desea obtener en el jugo caliente que sale del calentador. Económicamente es necesario limitar la temperatura t de tal manera que se tenga:

MARGEN DE TEMPERATURA QUE DEBE DARSE EN LOS CALENTADORES VAPOR DE CALENTAMIENTO Vapor de escape Vapor del 1° cuerpo

MARGEN DE TEMPERATURA T- t = 6 a 8° T- t = 10 a 12°

Vapor de los otros cuerpos

T- t = 15 a 20°

De otra manera, el excedente de superficie necesario para obtener un jugo más caliente estaría fuera de proporción comparado con el incremento de temperatura obtenido de esta manera.

c)

Extracción de condensados para no afectar la transferencia de calor: 

Gases incondensables: Los calentadores que emplean los vapores de escape tienen siempre un tubo para gases incondensables que desahoga al aire libre y que debe dejarse ligeramente abierto. Los calentadores que se calientan con vapores del múltiple tienen un tubo de gases incondensables muy grande. La salida de gases, debe hacerse bajando un poco la presión, si el calentador está colocado cerca de la evaporación (los incondensables de un calentador que usa vapor del primer cuerpo, deben desahogarse en la parte superior del 2° cuerpo), y en dos etapas si el calentador está lejos (1° y 3° cuerpo). Los incondensables deben tomarse tanto en la parte superior, como de la parte inferior del envolvente. El tubo de salida, instalado en la parte baja del envolvente, debe detenerse a 10 cm del fondo, para que no aspire agua condensada. El tubo de incondensables debe tener una sección de por lo menos 1 2

2

cm por cada 10 m de superficie de calentamiento.



Aguas condensadas: En el calentador, debe proveerse orificios de evacuación de aguas condensadas, suficientes para una velocidad de escurrimiento del agua no mayor de 1 m/seg.

d) Tuberías de vapor Los tubos de vapor deben calcularse de manera que la velocidad de éste no sea mayor de 30 m/seg. Generalmente se les calcula para una velocidad de 20 a 25 m /seg. La entrada del vapor debe colocarse a una cuarta parte de la longitud, contada desde la parte superior del calentador (en el caso de calentadores verticales); este arreglo evita vibraciones excesivas y roturas de los tubos, así como facilita el escurrimiento de los condensados a lo largo de ellos.

e) Prueba hidraúlica de los calentadores f)

Pérdidas de carga

Según las fórmulas de Dacy, la pérdida de carga del agua que escurre por un tubo de diámetro D tiene por valor:

    

 

J= perdida de carga (sin dimensión) b= coeficiente que varía ligeramente con el diámetro D. V= velocidad de agua en m/seg. D= diámetro del tubo, en m. De acuerdo con las aproximaciones siguientes: 1) Reemplazando b por el valor aproximado que toma para los diámetros de alrededor de 30mm, es decir: 0.0005. 2) Desechando el exceso de viscosidad del jugo sobre el agua y asimilando al agua. 3) Considerando la pérdida de carga debido al cambio de dirección de 180º experimentado en cada circulación como equivalente a una longitud de un metro de tubo.

Se podrá escribir:

    

 

 (  ) … (a)

J= perdida de carga total en un calentador, en metros de altura de agua. V= velocidad del jugo en el calentador, en m/seg D= diámetro del tubo, en m. C= número de circulaciones del calentador. L= longitud total de circulación del jugo, en m=Cl l= longitud de un tobo, en m. Cuando los tubos están incrustados debe aumentarse el valor encontrado entre el 10 y el 20%, de acuerdo con la incr ustación.

En esta forma, la fórmula(a) se escribe como sigue:

    

g) Determinación del flujo de jugo

 

   (  )

El flujo másico de jugo en kg/ s se calc ula según:

Donde: ED: extracción diluida (%) M: molida (@ de caña/día)

h) Determinación de la diferencia de temperatura Los calentadores Webres tipificados en realidad son una estación de calentamiento compuesta generalmente por tres cuerpos o intercambiadores de tubos y coraza conectados en serie, dispuestos horizontalmente uno encima de otro. ΔT:

se tomará como la media logarítmica de las diferencias de temperatura y se calcula por la siguiente expresión:

Tv: temperatura de vapor (°C) Tej: temperatura de entrada del jugo a los calentadores (°C) Tsj: temperatura de salida del jugo de los calentadores (°C)

i)

Determinación de la superficie de calentamiento

S = (pc/k)*ln[(T-ti)/(T-t)] p: peso del jugo por calendar, en kg/h c: calor especifico del jugo (alrededor de 0.9) T: temperatura del vapor que calienta, en °C ti: temperatura de entrada del jugo frío, en °C t: temperatura de salida del jugo caliente, en °C 2

k: coeficiente de transmisión de calor, en kcal/m /h/°C

La superficie de calentamiento de un calentador es la superficie interior de los tubos. Este acuerdo no es universal pero es general en Francia y es lógico porque el coeficiente de transmisión: pared del jugo al jugo, es el menor; la transmisión vapor a la pared exterior del tubo es más rápida. Es entonces, la superficie de separación tubo-jugo, la que da la capacidad del calentador y la que la mide más correctamente. La superficie de las placas tubulares comprendidas entre los tubos se desecha. Sin embargo, ciertos constructores la integran en cierta medida, calculando la superficie de calentamiento sobre la longitud exterior de los tubos hasta afuera de las placas tubulares. Este el sistema adoptado por los constructores franceses. Los fabricantes ingleses calculan la superficie de calentamiento con el exterior de los tubos (Perk 9° Congreso ISSCT)

 j)

Formación de incrustaciones. La operación del calentador es continua; pero debido al aumento de temperatura que experimenta el jugo, alguno de los no-azúcares se precipitan y se adhieren a la pared interna de los tubos, formando una costra, llamada incrustación. Las incrustaciones dificultan y, a veces, llegan a imposibilitar la transferencia de calor, haciendo inoperante el aparato, por lo cual periódicamente tiene que ser sometido a una limpieza que puede llevarse a cabo admitiendo vapor a la cámara de vapor con las tapas de calentador abiertas. La incrustación se secará, se rajará y podrá ser extraída de los tubos soplando con vapor. Se debe usar una lanza especial de vapor con tubo, con una manguera de alta presión, flexible para operarla. Un ligero cepillado en los tubos con un cepillo de alambre suave se le puede hacer antes de cerrar las tapas del calentador.

k) Determinación de la cantidad de calor. La transferencia de calor es la operación que ocurre al ponerse en contacto dos cuerpos o fluidos que están a temperaturas diferentes y el calor fluye desde el más caliente hacia el más frío. Los mecanismos en virtud de los cuales puede fluir el calor son tres: conducción, convección y radiación. En los calentadores de jugo los mecanismos presentes son la conducción y la convección. El mecanismo que predomina es la convección particularmente la forzada, ya que en los calentadores los fluidos que intercambian calor están en movimiento impulsados generalmente por bombas. Al aplicar el vapor separado del jugo por paredes metálicas de los tubos, con una temperatura superior a la del jugo, el vapor cede su calor latente y se

condensa, o sea, cambia su estado físico (de estado gaseoso a estado líquido). Este calor latente liberado por el vapor es transmitido a través de la pared del tubo por conducción a la película de jugo que se encuentra adyacente a las paredes internas de los tubos y es absorbido por el jugo por convección forzada. Suponiendo que no hay pérdidas de calor a través de las paredes de la coraza hacia el exterior el calor que cede el vapor y que absorbe el jugo se representa por un balance de calor, según como sigue:

Según la forma integrada de la ecuación general de Fourier para el estado estacionario este calor también puede determinarse por la siguiente ecuación:

Q: flujo de calor del cedido por el vapor y tomado por el jugo en los calentadores (kcal/h). Wj: flujo másico de jugo (kg/s) Wv: consumo de vapor (kg/s) Cpj: calor específico del jugo (kcal/kg °C)/ calor específico del jugo alimentado a los calentadores (kcal/kg °C) Tej: temperatura de entrada del jugo a los calentadores (°C) Tsj: temperatura de salida del jugo de los calentadores (°C) U: coeficiente de transferencia de calor (kcal/h.m2.°C) A: área total de transferencia de calor de los calentadores calculada por diseño (m2)

VII.

LIMPIEZA El método de limpieza mecánica puede ser reemplazado por el de la limpieza química, o la limpieza química puede preceder a la limpieza mecánica. a) PROCESO MECANICO Debido a la presencia de las incrustaciones; la cual dificulta y, a veces, llega a imposibilitar la transferencia de calor, haciendo inoperante el aparato, por lo cual periódicamente tiene que ser sometido a una limpieza que puede llevarse a cabo admitiendo vapor a la cámara de vapor con las tapas de calentador abiertas.

La incrustación se secará, se rajará y podrá ser extraída de los tubos soplando con vapor. Se debe usar una lanza especial de vapor con tubo, con una manguera de alta presión, flexible para operarla. Un ligero cepillado en los tubos con un cepillo de alambre suave se le puede hacer antes de cerrar las tapas del calentador.

b) PROCESO QUIMICO La limpieza química consiste en la circulación de una solución ligera de sosa cáustica a través de los pases del calentador, al mismo tiempo que se le aplica un poco de calor. La limpieza química es usualmente llevada a cabo al final de la zafra, seguida de un raspado completo de los tubos por medio de cepillos de alambre de acero o con la ayuda de herramientas ligeras. Esto significa la necesidad de disponer de calentadores de reserva, para poder realizar el ciclo de limpieza sin afectar la molienda.