UNIVERSIDAD NACIONAL

HERMILIO VALDIZN DE HUNUCO

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIASESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA AGROINDUSTRIAL PROYECTO DE TESISDISEO Y CONSTRUCCIN DE UN PROTOTIPO DESTILADOR A GLP PARA OPTIMIZAR RENDIMIENTO EN LA EXTRACCIN DE ACEITES ESENCIALES DE MOLLE (Schinus molle L.)TESISTASCARNERO VILLANUEVA LUIS MIGUEL RAMOS ROSALES GILMERASESOR:DR. MARCELINO REYNAGA MARTINEZHUNUCO PERU2012

I. PROBLEMA DE INVESTIGACIN

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La regin Hunuco cuenta con una gran biodiversidad de plantas aromticas que pueden ser potencialmente aprovechas para la extraccin de aceites esenciales como son: Molle, hierba luisa, mua, cedrn, eucalipto menta, organo, entre otros. En la actualidad el aceite esencial extrado de las plantas aromticas estn siendo demandas en los mercados nacionales e internacionales debido a sus caractersticas organolpticas (color, sabor, olor), principios activos que otorgan propiedades antispticas, analgsicos, fngicas y diurticos o expectorantes.En nuestra regin se utilizan equipos de extraccin de aceites esenciales con vapor saturado y sobresaturado generados por calor aportado del uso de lea y electricidad para generar energa; siendo de alto costo y contaminando el medio ambiente. Lo que buscamos con la investigacin es disminuir el consumo energtico necesario para esta operacin, viendo por conveniente la modificacin del equipo con una fuente de energa a GLP (gas licuado de petrleo), y obtener menor gasto de energa que puede generar ptimo rendimiento en la extraccin de aceite esencial de molle Schinus molle L. En el diseo y construccin del prototipo destilador se tendrn en cuenta factores como son: las normas internacionales, manuales tcnicos, libros y dems literatura necesaria para el diseo que sern aplicadas a procesos de transferencia de calor, manejo de materiales y dimensiones reglamentarias y casos de diseo exitosos con recomendaciones tcnicas de equipos construidos.

1.2. FORMULACIN DEL PROBLEMA

1.2.1. Problema general En qu medida influye el prototipo destilador a GLP en el rendimiento de extraccin de aceite esencial de molle?

1.2.2. Problemas especficos

Cules sern las caractersticas del diseo del prototipo destilador a GLP para la extraccin de aceites esenciales de molle?

Cul ser el rendimiento del prototipo destilador a GLP para la extraccin de aceites esenciales de molle?

Cul ser la eficiencia del prototipo destilador a GLP para la extraccin de aceites esenciales de molle?

Cul ser el consumo de GLP del prototipo destilador en la extraccin de aceites esenciales de molle?

Cul ser el costo de operacin del prototipo destilador a GLP para la extraccin de aceites esenciales de molle?

1.3. JUSTIFICACIN

Generar tecnologa propia adaptada a nuestros recursos naturales y a la realidad de nuestra regin ya que contamos con recursos validos en su composicin qumica y principios activos que requieren ser separados por sus mltiples aplicaciones y que no es posible por falta de equipos eficientes y usandoun combustibles GLP (gas licuado de petrleo) para optimizar rendimientos en la extraccin de aceites esenciales de molle.

1.4. OBJETIVOS

1.4.1. Objetivo general

Determinar la viabilidad tcnica y econmica del prototipo destilador a GLP en la extraccin de aceites esenciales de molle.

1.4.2. Objetivos especficos

Determinar las caractersticas del diseo del prototipo destilador a GLP para la extraccin de aceites esenciales de molle.

Determinar el rendimiento del prototipo destilador a GLP en la extraccin de aceites esenciales de molle.

Determinar la eficiencia del prototipo destilador a GLP en la extraccin de aceites esenciales de molle.

Determinar el consumo de GLP del prototipo destilador en la extraccin de aceites esenciales de molle.

Determinar el costo de operacin del prototipo destilador en la extraccin de aceites esenciales de molle.

II.MARCO TERICO 2.1. GENERALIDADES DE DESTILACIN

2.1.1. Destilacin. JIROVETZ (2005), menciona la destilacin es uno de los procedimientos ms empleados para la obtencin de aceites esenciales, industrialmente, la destilacin se emplean de tres modos a saber: destilacin con agua o hidrodestilacin, destilacin con agua y vapor, y destilacin con vapor directo. Alambique DENNY (1989), define que es el componente principal del equipo de destilacin, puesto que el material vegetal se coloca en el sitio y se lleva a cabo el proceso de destilacin. Las condiciones de operacin, tales como presin, temperatura, flujo de vapor, y altura del lecho vegetal son las variables del proceso ms importantes a controlar. Cuello de cisne BADONI (2000), afirma que es la parte ms importante del equipo de destilacin, por que comunica el alambique con el condensador. Algunos de los factores importantes a considerar durante su construccin son la forma y dimensiones, ya que, deben reducir al mnimo las posibilidades de re condensacin de vapores dentro del alambique y permitir su rpida transferencia al condensador del sistema.Condensador BADONI (2000), menciona que es la parte del sistema, donde ocurre el cambio de estado de agregacin, de gaseoso a lquido, de la mezcla de vapor de agua y aceite esencial. Entre los diferentes tipos de condensadores, el condensador de espiras es el ms utilizado. Recipiente recolector o florentino JIROVETZ (2005), menciona la mezcla de liquida, agua y aceite esencial que eluyen del condensador, se colectan en un recipiente conocido como vaso florentino, en donde el aceite esencial se separa por decantacin. El diseo del vaso florentino depende si el aceite esencial es ms o menos denso que el agua.

Figura. 1. Proceso de destilacin Fuente. FONTECHA y LIZARAZO (2007)

2.1.2. HidrodestilacinJIROVETZ (2005), afirma que la hidrodestilacin, el material vegetal se sumerge en el agua. La hidrodestilacin consiste en llevar a estado de ebullicin el agua, que penetre a los tejidos de la planta y disuelve una parte del aceite esencial presente en las estructuras contenedoras, esta disolucin acuosa se difunde atraves de las membranas de las clulas y el aceite se vaporiza inmediatamente desde la superficie. Este proceso continua hasta que se remueve todo el aceite contenido en las glndulas de la planta, de tal manera, que los vapores regenerados puedan ser condensados y colectados.

2.1.3. Destilacin con agua / vaporJIROVETZ (2005), menciona que es un mtodo mejorado, donde la carga (el material vegetal), se coloca sobre una malla que sirve como un fondo falso del alambique se lleva hasta ebullicin y el vapor generado in situ pasa a travs del material vegetal. Consecuentemente, se evita que el material vegetal se queme ya que la cmara de agua lo protege del calentamiento directo. Es importante que el vapor de agua generado pase a travs de la carga uniformemente para garantizar la expansin complete de la esencia.

2.1.4. Destilacin por arrastre con vapor VARGAS Y BOTITA (2008), menciona que es un mtodo ms usado a nivel industrial, que permite obtener aceite esencial con buenos rendimientos, y adems se pueden procesar grandes cantidades de material vegetal. Este mtodo es una destilacin de mezcla de dos lquidos inmiscibles y consiste en una vaporizacin a temperaturas inferiores a las de ebullicin de cada uno de los componentes voltiles por efecto de una corriente directa de vapor de agua. Los vapores que salen del cuello de cisne se enfra en el condensador donde regresan a la fase liquida, los dos productos inmiscibles, agua y aceite, finalmente se separan en un vaso florentino. GUEVARA (1982), admite que la destilacin se fundamenta en que el vapor mediante su accin trmica fisicoqumica e incluso qumica (sobre todo el vapor hmedo), se hincha las paredes de los tejidos y de clulas, facilitando el paso de la esencia al exterior por medio de la osmosis, una vez aislada la esencia, esta se evapora o destila a temperaturas muy inferiores a su punto de ebullicin para condensarse posteriormente.

2.1.5 GENERALIDADES DEL ACEITE ESENCIAL DE MOLLE (Schinus molle L)

2.1.5.1. Morfologa del molle

STADLER (2010), describe al Molle que mide entre 10 y 15 metros de alto. Su tronco puede tener un dimetro de unos 1.5 metros en la base y es muy ramificado en la parte superior. Su corteza es de color caf claro, ligeramente grisceo y su textura es un tanto spera y agrietada. En su juventud, el Molle a menudo tiene tendencias de crecer como un arbusto, entonces para logra un porte de rbol, es necesario la poda de formacin. El follaje del Molle es perenne, denso y sus ramas son colgantes. Las hojas son compuestas, lanceoladas, de mrgenes lisos o aserrados, muy aromticas y miden entre 1,5 a 4 cm de largo. Las flores del Molle son pequeas, hermafroditas o unisexuales, y estn dispuestas en panculas alargadas. Los frutos del Molle tienen un color rosado-rojizo muy llamativo, estn agrupados en racimos, poseen un mesocarpio de sabor dulce y contienen con una semilla dura y picante. Estas semillas son de color negro, tienen la textura rugosa, una forma redondeada y su tamao vara entre los 3 y 5 mm de dimetro. 2.1.5.2. Hbitat del rbol de Molle STADLER (2010), menciona que el Molle es oriundo de los valles interandinos, especialmente de las regiones ridas y semiridas de las serranas y el bosque montano bajo. Tambin crece tanto de manera silvestre como cultivada en zonas secas de la costa, la serrana y parte de la Amazona, desde el nivel del mar hasta los 3,500 msnm. Desarrolla con mayor eficiencia en lugares con suelos ligeros a rocosos y bajo condiciones climticas tropicales y templadas. Por su enraizamiento profundo es resistente a la sequa. La raz profunda que desarrolla el germen antes de aparecer por encima del suelo es causa de la dificultad de trasplantar esta especie.2.1.5.3. Clasificacin taxonmica Segn GOLSTEIN y COLEMANN (2004), el molle presenta la siguiente clasificacin taxonmica. Reino: Plantae Divisin: MagnoliophytaClase: MagnoliopsidaOrden: SapindalesFamilia: AnacardiaceaeGnero: Schinus Especie: S. molleNombre binomial: Schinus molle LEl aguaribay, gualeguay, o anacahuita (Schinus molle), es una especiearbrea de hojas perennes perteneciente a la familia Anacardiaceae, originaria del sur de Brasil, Uruguay, y la mesopotamia Argentina; puede llegar a medir alrededor de 15metros de altura. Una especie similar se distribuye desde Per hasta el noroeste de la Argentina y Chile, estando asilvestrada en Mxico, es el Schinus areira, la cual fue considerada por mucho tiempo slo como una variedad de esta especie, llamndose por lo tanto: Schinus mollevar. areira; hoy se la trata como especie plena.

2.1.5.4. Composicin de los aceites esencialesSTADLER (2010), menciona que las hojas del Molle contienen un aceite que se utiliza en perfumera y en la elaboracin de cremas dentales. Las semillas presentan un aceite que puede ser empleado como fungicida natural. Los frutos y semillas tambin poseen varios aceites como mirceno, felandreno, limoneno y cadinol. BOZIN (2006) y DEVECI (2010), determina que los aceites esenciales son mezclas de varias sustancias qumicas biosintetizadas por las plantas, que les dan el aroma caracterstico a algunas de ellas, y estn compuestos principalmente por terpenos, y sus derivados hidrocarburos, alcoholes, cidos, steres, y aldehdos. Tienen un amplio campo de aplicacin en la industria alimenticia, cosmtica, farmacutica tanto para medicina humana como veterinaria, con usos tan variados como saborizantes, antioxidantes, parasiticidas, etc. BANDONI (2003), afirma que la particularidad que tiene la comercializacin de los aceites esenciales es que exige permanentemente nuevos productos y la ventaja con que cuenta Amrica Latina es que tiene una gran biodiversidad que permite una gran variedad de los mismos. Esta caracterstica del mercado hace que la utilizacin de plantas aromticas nativas sea de inters para la comunidad cientfica porque los aceites esenciales presentan en su composicin sustancias caractersticas novedosas que posibilitan nuevas aplicaciones y la apertura de nuevos mercados. En este sentido es importante destacar que se trabaj con aceite esencial de aguaribay (Schinus molle L.), que es una especie vegetal aromtica que proviene de la flora latinoamericana lo que permite crear nuevas oportunidades para recursos naturales autctonos.LUTZE (2010), menciona que en la actualidad existe una demanda creciente de productos ms puros, y tambin, la necesidad de llevar a cabo una intensificacin de los procesos que implica desarrollar nuevas tecnologas que permitan reemplazar equipos de gran tamao, costosos y con consumos altos de energa por otros ms pequeos, menos costosos y ms eficientes; o que posibiliten combinar varias operaciones en una menor cantidad de dispositivos que los requeridos en los procesos convencionales.2.1.6. Envasado de los aceites esencialesGUEVARA (1982), recomienda envasar el aceite esencial en materiales que renen ciertos requisitos como, que no reaccionen con la esencia, siendo los ms recomendables en orden de prioridad, el acero inoxidable, aluminio, vidrio de color mbar, acero galvanizado, y estao, en todos estos casos deben ser llenados completamente, para disminuir la presencia de oxigeno y ser cerrados hermticamente.PRALORAN (1977) menciona, para envasar pequeas cantidades de aceite esencial, se utilizan recipientes de vidrio color mbar, obturados por tampones de vidrio o corcho recubiertos por una capa de material inatacable.

2.1.7. Factores que determinan el rendimiento de los aceites esenciales.Segn DE LEON (2005), existen diferentes factores que pueden afectar el rendimiento de los aceites esenciales, sien las principales los siguientes: Tipo de materia prima.Tiempo de secado.Tamao de la partcula.Tiempo de extraccin.Mtodo de extraccin.

2.1.8. Aplicaciones de los aceites esenciales CBI (2005) y CBI (2004), afirma que los aceites esenciales tienen un rango de aplicaciones muy amplio. Estos se usan en la industria de alimentos, farmacutica, cosmtica y qumica, siendo incorporados en el producto de consumo, jarabes, bebidas no alcohlicas, aderezos, mermeladas, etc. De uso externo, cremas perfumes, jabones, geles; como saborizantes, aromatizantes y enmascarante de olores. Tambin se les est utilizando como conservadores para alimentos, especialmente crnicos. Por sus propiedades insecticidas acaricidas que poseen algunos aceites esenciales, se les produce con fines de controlar algunas plagas de manera ecolgica.Otro uso en la terapia alternativa denominada aromaterapia. Por ejemplo el aceite de lavanda se usa para heridas y quemaduras, el aceite de jazmn se utiliza como relajante.

2.2. ANTECEDENTES

2.2.1 Antecedentes internacionalesFONTECHA y LIZARAZO (2007), en la investigacin titulada: Diseo y construccin de un equipo de destilacin para la extraccin de aceitesesnciales, usando los mtodos dehidrodestilacin, arrastre con vapor y destilacin agua / vapor.Objetivos y conclusiones. El objeto de la planta piloto es conocer y determinar las variables de procesoque se deben controlar y que deben a su vez tomarse en cuenta para disearlos equipos, de tal forma que sean los ms adecuados para dicho proceso, principalmente cuando se usa el mtodo de arrastre por vapor, buscando deesta forma minimizar los costos y optimizar la calidad de los productos obtenidos. La experimentacin a escala de planta piloto permite estimar eficiencias, costos y viabilidad de los procesos a nivel industrial, con esto se logra obtenerel desarrollo de un equipo industrial con costos relativamente bajoscomparados con el desarrollo de las experimentaciones a nivel industrial. En el proceso de destilacin usando el mtodo de arrastre con vapor en elcual se inyecta vapor de caldera se opto por el diseo de una canasta sinperforaciones laterales para evitar que el flujo de vapor buscara la trayectoriade menor resistencia y disminuya la eficiencia del proceso. De igual manera, mediante este trabajo se logro demostrar la viabilidadtcnica de la construccin de la planta piloto para la destilacin de aceitesesenciales y se cuenta con personal y equipos especializados para asegurar lacalidad de los productos.

2.2.2 Antecedentes nacionales PALACIOS y SNCHEZ (2008), en la investigacin titulada: Diseo, construccin y evaluacin de parmetros de operacin de un equipo de extraccin solido-liquido para el laboratorio de procesos unitarios de la Facultad de Ingeniera Qumica de la Universidad Nacional del Centro del Per.Objetivo general Disear, construir y evaluar de parmetros de operacin de un equipo de extraccin solido-liquido para el laboratorio de procesos unitarios de la facultad de ingeniera qumica de la Universidad Nacional del Centro del Per.Objetivo especficos Disear y construir el equipo de extraccin de solido-liquido. Instalar y poner en marcha el equipo de extraccin de solido- liquido en el laboratorio de procesos unitarios de la facultad de ingeniera qumica de la Universidad Nacional del Centro del Per. Evaluar los parmetros de la temperatura y el caudal del refrigerante en el equipo de extraccin de solido liquido para el proceso de extraccin de aceite del man.

Conclusiones Se diseo y construyo el equipo de extraccin de solido liquido dndonos como resultados.Para el tanque de alimentacin:V tanque=28 litros =0.028m3H tanque= 0.39 mD tanque= 0.30 mPara el tanque extractor:V tanque= 0.00786 m3H tanque=0.354 mD tanque= 0.177 mPara el condensador:Calor disipado: Q= 2754.94wNumero de tubos: N t= 4 tubosEspesor del aislante:El espesor del aislante es de 10mmSe requiere de dos resistencias de inmersin de 3000w y 1000w respectivamente para el funcionamiento adecuado del equipo. Se instalado y se puso en marcha el equipo de extraccin y obtenindose extracto de man y eucalipto. Se evalu los parmetros de la temperatura y el flujo del refrigerante en el equipo para la extraccin de aceite de man usando n-hexano como solvente, los parmetros de operacin obtenidos son:Temperatura de extraccin: 54CFlujo del refrigerante: Q f = 5.89 LPM

2.3. DEFINICIN DE TRMINOS

DiseoEl diseo es una actividad humana volitiva, una actividad abstracta que implica programar, proyectar, coordinar una larga lista de factores materiales y humanos, traducir lo invisible en visible, definitiva comunicar. Incluye juicios de valor, aplicacin de conocimientos, adquisicin de conocimientos, uso de intuiciones educadas y toma de decisiones.ConstruccinConforme se puede apreciar, la palabra construir necesariamente nos remite a una actividad que busca hacer algo, incrementar lo ya existente, adherir, generar, crear, etc.PrototipoUn prototipo tambin se puede referir a cualquier tipo de mquina en pruebas, o un objeto diseado para una demostracin de cualquier tipo.Aceites esenciales VELASCO (2007), define que son mezclas de varias sustancias qumicas biosintetizadas por plantas, que dan el aroma caracterstico a algunas flores, arboles, frutos, hierbas, especias, semillas, y a ciertas extractos de origen animal. Se trata de productos qumicos intensamente aromticos, no grasos (por lo que no se enrancian), voltiles por naturaleza (se evaporan rpidamente) y livianos (poco densos), son insolubles en agua, levemente solubles en vinagre y solubles en alcohol, grasas, ceras y aceites vegetales. Se oxidan por exposicin al aire. MaquinariaUna mquina es un conjunto de piezas o elementos mviles y fijos cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energa o realizar un trabajo con un fin determinado. Se denomina maquinaria (del latnmachinarus) al conjunto de mquinas que se aplican para un mismo fin y al mecanismo que da movimiento a un dispositivo.

ProductividadEs el grado de rendimiento con que se emplean los recursos disponibles para alcanzar un objetivo. Factores (hombre, dinero, terrenos y edificios, materiales, maquinas, mtodos).Tecnologa Es el conocimiento cientfico que combinauna serie de factores para producir bienes (productos) servicios para el mercado objetivo.Proceso de produccin Es la transformacin de insumos en productos por medio de la aplicacin tecnolgica.Eficiencia Medida de grado de utilizacin de la manode obra, con relacin a las unidadesproducidas y al tiempo.Aprovechamiento Medida de grado de utilizacin de las materias primas.Eficacia Medida de comparacin de losresultados obtenidos frente a lasmetas planificadas.Rendimiento Sabemos que obtener un buen rendimiento supone obtener buenos y esperados resultados con poco trabajo.Maquinas y herramientasDefinido como el recurso tecnolgico que transforma la materia primas, en producto terminado.Materia prima Elementos esenciales extrados de la naturaleza para elaborar determinados productos. Recursos marinos, mineros, forestales, entre otros.EfectividadEs el grado en que se logran los objetivos, la forma en que obtiene un conjunto de resultados.

2.4CONCEPTOS BSICOS PARA EL DISEO DEL PROTOTIPO DESTILADOR PARA LA EXTRACCIN DE ACEITES ESENCIALES DE MOLLE.

2.4.1. Procesos de transferencia de calorLa transferencia de calor es el rea de ingeniera que trata los mecanismos de la transferencia de de un lugar a otro cuando existe una diferencia de temperaturas. Existen tres tipos de transferencia de calor: conduccin, conveccin y radiacin.Los tres tipos de transferencia de calor se pueden producir al mismo tiempo y es aconsejable tomar en consideracin la transferencia de calor por cada una de esas etapas en cada caso particular.La aplicacin del fenmeno de conduccin y conveccin se fundamenta en la existencia de equipos de intercambiadores de calor de un fluido a otro. Actualmente se han desarrollado muchos tipos de intercambiadores de calor para ser usados en variados grados de tamao y de sofisticado tecnologa, como las plantas de potencias de vapor, calefaccin y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores, radiadores de automviles, etc.Tipos de transmisin de calor. Trasmisin de calor por conduccin. Trasmisin de calor por conveccin.Trasmisin de calor por conduccinLa conduccin es la forma en que tiene lugar la transferencia de energa a escala molecular. Cuando las molculas adsorben energa trmica vibran sin desplazarse, aumentado la amplitud de la vibracin conforme aumenta el nivel de energa.La conduccin es el mtodo ms habitual de trasferencia de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales slidos opacos. Trasmisin de calor por conveccinCuando el fluido circula alrededor de un slido, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisin de calor se debe al mecanismo de conveccin. El calentamiento y enfriamiento de gases y lquidos son ejemplos ms habituales de transferencia de calor por conveccin. Dependiendo de si el flujo es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos de transmisin de calor por conveccin. Conveccin forzada implica el uso de algn medio mecnico (bomba, ventilador, agitador, etc.), para provocar el movimiento del fluido. Conveccin natural o libre tiene lugar a causa de las diferencias de densidad provocadas a su vez por gradientes de temperatura.Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.2.4.2. Transferencia de calor en intercambiadores de calorCuando se transfiere calor de un fluido a otro en un proceso industrial, sin mezclarlos, los fluidos estn separados y la transferencia de calor se lleva a cabo en un aparato conocido como intercambiador de calor.Un intercambiador de calor de un fluido a otro, sea que estos estn separados por una barrera solida o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin de energa y procesamiento qumico.Un intercambiador de calor puede ser de diversas formas y tamaos y usualmente est diseado para realizar una funcin especfica. Las plantas de generacin a vapor usan intercambiadores de calor como condensadores, economizadores, calentadores de aire, calentadores del agua de alimentacin, recalentadores, etc. Es el comn disear intercambiadores de calor por medio de su forma geomtrica y sus direcciones relativas de flujo de los fluidos de transferencia de calor.Tipos de intercambiadores de calor Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en la industria, que su diseo ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas ideadas y aceptadas por el tema que especifican con detalle los materiales, mtodos de construccin, tcnicas de diseo y dimensiones. Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificacin dependiendo de su construccin. Para la eleccin del mismo se considera aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en slidos, limite de temperaturas, conductividad trmica, etc. Se clasifican en intercambiadores.De placas. Formados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc.) contenidos en un bastidor. El sellado de las placas se realiza mediante juntas o bien pueden estas soldadas. Tubulares. Formados por un haz de tubos corrugados o no, realizados en diversos materiales. El haz de tubos se ubica dentro de una carcasa para permitir el intercambio con el fluido a calentar o enfriar. Tubo aleteado. Se compone de un tubo o haz de tubos a los que se sueldan aletas de diferentes tamaos y grosores para permitir el intercambio entre fluidos y gases. Por ejemplo, radiador de un vehculo. Superficie rascada. Muy similar al tubular, con la particularidad de ubicar dentro del tubo un dispositivo mecnico helicoidal que permite el paso del fluido que por sus caractersticas, impide un trasciego normal con los medios de bombeo habituales.Los intercambiadores de calor se clasifican en 3 tipos.a) Doble tuboEs el intercambio ms sencillo, por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro circula por el espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en flujo paralelo y flujo contracorriente, este intercambiador se muestra en ala figura 3.

Figura 2. Intercambiador de doble tubo.Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)b) Carcasa y tuboEs el intercambiador ms ampliamente usado en la industria. En este intercambiador un flujo fluye por el interior de los tubos. Para asegurar que el fluido por el lado de la carcasa fluya a travs de los tubos e induzca una mayor transferencia de calor, se colocan, deflectores o placas verticales. Es comn encontrar intercambiadores de calor de 2,4, 8, etc. pasos de tubos. De la misma manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza.

Figura 3. Intercambiador de carcasa y tubo.Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)

c) Flujo cruzado Alternativamente los fluidos pueden moverse en el flujo cruzado (perpendicular uno al otro), tal como seala en la figura 5. Los intercambiadores en el flujo cruzado se utilizan comnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la figura 4 se seala dos tipos de intercambiadores de calor de flujo cruzado.Las dos configuraciones difieren de acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos est mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que est sin mezclar debido que las aletas previenen el movimiento en la direccin (y) que es la direccin transversal a la direccin del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varia con (x) y con (y).

Figura 4. Intercambiador de flujo cruzado Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)

2.4.3. Condensadores Un condensador es un cambiador de calor que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado lquido, tambin conocido como fase de transicin.En la condensacin o vaporizacin, las cantidades de calor involucradas para una libra de de fluido son idnticas. Para fluidos puros a una presin dada, el cambio de fase de lquido a vapor o de vapor a lquido ocurre a una sola temperatura que es la de saturacin o de equilibrio. La vaporizacin o condensacin de un compuesto puro se efecta isotrmicamente, ya que los cambios de transferencia de calor ocurren a presin constante.Condensacin en pelcula En esta condensacin las gotas son totalmente a fines con la superficie, formndose as una pelcula, a medida que se condensa el vapor, cubre la superficie, para ello se requiere vapor adicional para que se condensen en la pelcula y no en la superficie de condensacin. Debido a la resistencia de la pelcula del condensado a la transferencia de calor los coeficientes de transferencia para la condensacin por gota son de 4 a 8 veces ms grande que en pelcula.En el mecanismo de condensacin en forma de pelcula, se pueden realizar anlisis matemticos bien estructurados. Para ello Nusselt encontr tericamente correlaciones que modelan la condenacin en la pelcula con resultados que se ajustan bien a la parte experimental.Entre los tipos de condensacin ms realizados se tienen. Condensadores con vapores simplesVapor saturado. Puede existir una condensacin parcial o total; tambin puede haber una condenacin seguido de un sub enfriamiento.Vapor sobrecalentado. Hay primero un sobrecalentamiento y luego la condensacin.Condensacin dentro de tubos. En esta se pueden presentar condensaciones o sub enfriamientos. Condensacin de mezclas de vapores condensados inmiscibles. Condensacin de la unin y mezcla de vapores no condensables.Para algunos de estos tipos de condensacin en la industria la mayora de los condensadores son como un intercambio (1-2) al que vamos a hacer las modificaciones.Los condensadores ms empleados en la industria son. Condensadores parciales. Se emplean cuando se desea condensar una porcin del vapor que se utiliza. Condensador de superficie. Es un aparato tubular, empleado especialmente para condensar el vapor de agua. Condensador de reflujo. Se maneja en un circuito cerrado para mantener una mezcla liquida en su punto de ebullicin hasta completar una reaccin completar una reaccin qumica si es este caso, o tratar de concentrar una solucin para obtener mejores productos. Condensador ciego. Es aquel que esta puesto verticalmente y el vapor ingresa a los tubos por la parte inferior, y el condensado retorna por ellos mismos.Es de igual manera un elemento intercambiador trmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recurre, cambie a la fase liquida dese su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesin de calor) con otro medio. La condensacin se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta ltima suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeracin, en un rio o en el mar). La condensacin sirve para condensar el vapor, despus de realizar un trabajo termodinmico.La condensacin por pelcula es susceptible al anlisis matemtico y los clculos de los condensadores comerciales se basan en este tipo de condensacin.En la condensacin por pelcula los coeficientes de transferencia de calor son ms bajos que en la condensacin por goteo, el espesor de la pelcula se ve afectado por la velocidad, viscosidad, densidad, dimetro del tubo la textura de la superficie por la que se efectala condensacin y sobre todo por la posicin del condensador.2.4.4. Coeficiente global de transferencia de calor El coeficiente est definido en trminos de la resistencia trmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos.Cuando se considera fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo, el coeficiente global de transferencia de calor para un tubo, el coeficiente global de transferencia de calor para un tubo se escribe de la siguiente manera. (1) En la siguiente tabla se muestra valores tpicos del coeficiente global de transferencia de calor, U.Situacin fsica(W/m2 C)

Ventana placa-vidrio6,20

Condensador de vapor1000-5000

Calentador de suministro de agua1000-8000

Intercambiador de calor vapor -agua700-1500

Intercambiador de calor agua -aceite110-340

Anlisis trmico de intercambiador de calorUn anlisis trmico de un inter cambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor transferido del fluido caliente el fluido frio, en trminos de coeficiente global de transferencia de calor, el rea de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frio. Un balance de energa da como resultado.(Energa perdida por el flujo caliente) = (Energa ganada por el flujo frio) o bien. mhCPh(Tha- Thb)=mcCPc(Tcb- Tca) (2)Existen dos mtodos de anlisis trmico de intercambiadores de calor.2.4.5. Diferencia de temperatura media logartmica.Considerar el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la siguiente.

Figura 5.El cual opera en flujo paralelo.Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)Distribucin de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en flujo paralelo.Se calcular el flujo de calor mediante.q= U A Tm (3)Donde:q: flujo de calor (w)U: coeficiente global de transferencia de calor (w/m2 k)A: rea de transferencia de calor consistente con U.Tm: diferencia de temperatura mediaEn la figura se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos fros y calientes, de este modo un balance de energa da como resultado.d=mc cc dTc = -mh ch dthIncorporando la capacidad calorfica, y arreglo se obtiene.dTh= d/chdT= d/ccRestando ambas ecuaciones.dTh- dTc= d(Th- Tc) = - d(1/ ch + 1/cc)Sustituyendo la expresin de calor expresado por.d = U(Th- Tc) d ASe obtiene la siguiente ecuacin diferencial.

Integrando la ecuacin anterior entre el punto 1 y el punto 2, se obtiene.

De manera sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuacin previamente integrada, se obtiene.

Reescribiendo la ecuacin anterior.

Que al despejar de la ecuacin anterior, q se tiene. (4)De la ltima ecuacin se reconoce.

(5)Donde LMTD son siglas en ingles de logarithm mean temperatura difference (diferencia de temperatura logartmica media).De igual forma similar para el intercambiador de doble tubo, operando en el flujo en contracorriente, tal como el indicado en la siguiente figura 6.

Se tiene que LMTD, viene dada por.

(6)Por lo tanto que se aplica la misma expresin para LMTD, tanto en el flujo paralelo, como en contracorriente.Tambin se tiene que LMTD para el calor latente de vaporizacin y se da de la siguiente manera.

Figura 7. Grafica de representacin de temperatura en el condensador.Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)

La diferencia de media de temperatura logartmica es.

(7)

2.4.6. rea del condensador Se sabe que el calor total de transferencia de calor es. (8)Despejando A tenemos. (9)

2.4.7. Longitud total. L T

Se sabe que.

(10)

Despejando L T

(11)

En muchos casos la longitud total del tubo es largo, este podemos dividirlo en tubos pequeos de igual longitud, siguiente relacin. (12)Dnde. NT= nmeros de tubos LT= longitud total del tuboL= longitud requerida

2.4.8. Fundamentos del flujo de calor en fluidosEl flujo de calor desde un fluido a travs de una pared solida hasta un fluido ms frio se encuentra con frecuencia en la prctica de ingeniera agroindustrial. El calor transmitido puede ser calor latente, que va acompaado de un cambio de fase tal como vaporizacin o condensacin, o bien puede ser calor sensible procedente del aumento o disminucin de la temperatura de un fluido sin cambio de fase. Ejemplos tpicos son la disminucin de la temperatura de un fluido por transmisin de calor sensible hacia un fluido mas frio cuya temperatura aumenta por este hecho; condensacin de vapor de agua con agua de refrigeracin; y evaporacin de agua desde una disolucin a una determinada presin mediante condensacin de vapor a presin ms alta. Todos estos casos implican transmisin de calor por conduccin y conveccin.Balance de energa El tratamiento cuantitativo de los problemas de transmisin de calor se basa en los balances de energa y en estimacin de las velocidades de transmisin de calor, que se consideran ms adelante en este captulo. Muchos de los aparatos de transmisin de calor operan en condiciones de estado estacionario, y aqu solamente se considera este tipo de operacin.a) Balances de entalpia en cambiadores de calor. En cambiadores de calor no hay trabajo de rbol y, adems, las energas mecnicas, potencial y cintica, son pequeas en comparacin con los dems trminos de la ecuacin del balance de energa. Por lo tanto, para una corriente que circula a travs de un cambiador.m(Hb-Ha) = q (13)

Figura 8. Temperaturas para (a) flujo en contracorriente (b) flujo en corrientes paralelas.Fuente. PALACIOS y SNCHEZ (2008)

m= Velocidad de flujo de la corrienteq=q/t= Velocidad de transmisin de calor hacia la corrienteHa, Hb= Entalpias por unidad de, masa de las corrientes de entrada y salida, respectivamente.La ecuacin 13 puede plantearse para cada una de las corrientes que fluyen a travs del cambiador.En el uso de la velocidad de transmisin de calor (q) est justificada otra simplificacin. Una de las dos corrientes de fluido, que sale de los tubos, puede ganar o perder calor por transmisin con el medio ambiente, si el fluido esta mas frio o caliente que el ambiente. En la prctica generalmente no es deseable intercambiar calor con el ambiente y con frecuencia se reduce a un pequeo valor mediante un aislamiento adecuado. Es costumbre despreciar este travs de las paredes de los tubos desde el fluido caliente hacia el fluido, y as se interpretara q.Aceptando los anteriores supuestos, en la ecuacin 13 para el fluido caliente puede escribirse as.mh(Hhb-Hha) = qh (14)Y para el fluido frio M c(Hcb Hca) = qc (15)mc , mh= Velocidad de flujo de materia de los fluidos frio y caliente, respectivamente.Hca ,Hha= Entalpia por unidad de masa de los fluidos frio y caliente, respectivamente.qc , qh= Velocidades de transmisin de calor en el fluido frio y caliente, respectivamente.El signo de qc es positivo, pero el de qh es negativo debido a que el fluido acliente pierde calor en vez de ganarlo. El calor perdido por el fluido caliente es ganado por el frio y qc= -qhPor lo tanto, a partir de las ecuaciones 14 y 15M h(Hha Hhb)= mc(HcbHca) = q (16)La ecuacin 16 recibe el nombre de balance de entalpia.Se admite que los calores especficos son constantes, el balance global de entalpia para un cambiador de calor se transforma en:MhC ph(Tha Thb)= mcCp c(Tcb- Tca) = q (17)Donde:Cpc: calor especifico del fluido frioCph: calor especifico del fluido caliente a) Balance de entalpia en condensadores totales. Para un condensador.m =m cp(T2 T1) = q (18)Donde:mh: velocidad de la condensacin de vapor. : calor latente de vaporizacin del vapor2.4.9. Clasificacin de coeficientes individuales de transferencia de calor.El problema de perder la velocidad del flujo de calor desde un fluido a otro a travs de una separacin se reduce a la prediccin de los valores numricos de los coeficientes individuales de los fluidos que intervienen en el proceso global en la prctica se presenta una gran variedad de casos individuales y es preciso considerar separadamente cada tipo de fenmeno, para esto se seguir la siguiente clasificacin: Flujo de calor hacia o desde fluidos en el interior de tubos, sin cambio de fase. Flujo de calor hacia o desde fluidos en el exterior de tubos, sin cambio de fase. Flujo de calor desde vapores condensantes. Flujo de calor a lquidos en ebullicin.

a) Valores de los coeficientes de transmisin de calor. Los intervalos de los valores del coeficiente h varan mucho, dependiente del carcter del proceso. En la tabla se representan algunos intervalos tpicos.

Tipo de proceso Intervalos de valores de h

Btu/pie2-h-f w/m2- c

Vapor de agua (condensacin en gotas) 5000-2000030000-100000

Vapor de agua (condenacin en pelcula)1000-30006000-20000

Ebullicin de agua300-90001700-50000

Condensacin de vapores orgnicos 200-4001000-2000

Agua (calentamiento o enfriamiento) 50-3000300-20000

Aceites (calentamiento o enfriamiento)10-30050-1500

Vapor de agua (sobrecalentamiento)5-2030-100

Aire (calentamiento o enfriamiento)42-101-50

Tabla1. Coeficientes de transmisin de calorFuente. W.H. MCADAMS, Heat Transmission. 3a.ed.pag. 5, 1954, McGraw-Hill Bookcompany.

b) Regmenes de transmisin de calor en fluidos.Un fluido se calienta o se enfra puede circular con flujo laminar, flujo turbulento, o en el intervalo de transmisin comprendido entre el flujo laminar y el turbulento. Por otra parte el fluido puede moverse por conveccin natural o forzada. En algunos casos puede encontrarse en la misma corriente ms de un tipo de flujo. As por ejemplo, en el flujo laminar a bajas velocidades a travs de tubos de gran dimetro puede existir conveccin natural superpuesta sobre flujo laminar forzado. Con el nmero de Reynolds se puede saber el rgimen del flujo (19)Donde: De = Dimetro equivalente de los tubos interiores Gs = Velocidad de flujo de masa por tubo = Viscosidad del lquido Rgimen Valores de N de Reynolds

Flujo laminar Flujo transicin Turbulento Re 23002300< Re