FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

CALOR Y TEMPERATURA EN LAS PLANTAS INDUSTRIALES

Nombre : Sánchez Cabrera, Mónica Ciclo : II

Grupo : “A” Curso : Física II Profesor : José Fortunato Zuloaga Cachay

2015

INTRODUCCION

La mayor parte de la energía consumida a nivel mundial es calor, el cual

también domina el consumo de energía industrial y es que muy pocas

cosas se pueden producir sin calor.

El elevar la temperatura, nos permite acelerar gran parte de las reacciones

químicas, disminuir la viscosidad de los fluidos mejorando su transporte,

mejorara la solubilidad de la mayoría de las mezclas, permite erradicar

contaminaciones biológicas, etc. En la industria en general podemos

observar la necesidad de elevar la temperatura, ya sea en los fluidos de

procesos, o como fuente de generación de energía, o quizás como

elemento de limpieza y desinfección, esto es aplicable a procesos de

refinación de petróleo, producción de harina de pescado, industria

alimentaria en general , industria química ,etc.

El presente trabajo nos permitirá vislumbrar mejor el comportamiento del

calor y la temperatura en los procesos industriales.

CAPITULO I

1. MARCO TEORICO

1.1. Calor: se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

El calor debe medirse en unidades de energía, joules; sin embargo existe otra unidad de uso más frecuente para medir el calor: la caloría, cuyo símbolo es cal (1 cal= 4.184 J)

1.2. Temperatura: La temperatura es una propiedad física e intensiva de la materia. La temperatura no depende de la cantidad de materia ni promueve el cambio estructural de la misma. La temperatura mide en cierta manera la energía asociada al movimiento o energía cinética de las partículas que componen la materia bajo estudio. En la actualidad se utilizan comúnmente tres unidades de medida: los grados Fahrenheit (°F), del sistema inglés, los  los Kelvin (K), del sistema Internacional y los grados Celsius (°C), unidad derivada de los Kelvin. De estos sistemas, el Fahrenheit está siendo sustituido por el Celsius. El sistema en Kelvin se utiliza mayormente en las ciencias.

1.3. Plantas Industriales: Las plantas industriales, también conocidas como instalaciones industriales (aunque en términos estrictos, una cosa es la planta industrial y otra la instalación industrial), son locaciones o conjuntos compuestos de maquinaria-industrial, es decir de aparatos dispuestos para llevar a cabo una tarea pre-establecida, básicamente la de producción, la de transformación de materia-prima en productos o energías.

Las plantas industriales sirven:

Sirven en la producción de productos.Sirven en la generación de energía.Producción en serie reduce costos.El objetivo es aumentar la producción mediante funciones mecanizadas y automatizadas.Son conocidas por, en gran parte, generar contaminación ambiental.

1.4. Capacidad Calorífica: Llamada también calor específico, que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de material. De aquí que concluimos que la capacidad calorífica es única para cada material y nos describe una característica térmica de los materiales

1.5. Procesos de transferencia de calor: El proceso de transferencia de energía se lleva a cabo por:

Conducción: Consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos.

Ejemplo:

Tengo una barra metálica con un extremo a 80ºC y otro a temperatura ambiente, si no tengo ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 80ºC, habrá una transferencia de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío incrementando la temperatura de este último

Radiación: Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B.

Para que este fenómeno se perciba es necesario un cuerpo a una temperatura bastante elevada ya que la transferencia térmica en este caso depende de la diferencia de temperaturas a la cuarta potencia: Ta4-Tb4.

Ejemplo:

Dejas tu coche aparcado en la playa un día no muy caluroso, al volver te apoyas sin querer en el capó del coche y el grito se oye a varios kilómetros de distancia. En este caso aunque el sol se encuentra a bastante distancia de nuestro coche, su temperatura absoluta es tan alta que hace que la transferencia por radiación sea muy importante. Aquí no tiene apenas  influencia que el aire ambiente esté caliente ya que si hubiéramos dejado el coche a la sombra esto no ocurriría.

Convección: En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas.

La transmisión de calor por convección puede ser:

Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría.

Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.

Ejemplo:

Si enciendo un radiador y espero a que alcance una temperatura bastante alta, no tengo más que poner una mano encima (a una distancia prudencial) para ver que existe un flujo de aire por convección natural. El aire alrededor del radiador se calienta disminuyendo su densidad, por lo tanto, al pesar menos que el aire ambiente, fluye hacía arriba dando paso a un “aire de renovación” alrededor del radiador, reiniciando el proceso de forma cíclica.

1.6.Dilatación térmica: Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

De una forma general, cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo (sólido o líquido), aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, resultando en un aumento en las dimensiones del cuerpo (dilatación térmica). Por otra parte, una disminución en la temperatura de un cuerpo, acarrea una reducción en sus dimensiones (construcción térmica)

1.7. Intercambiador de Calor: Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado con el objetivo de transferir calor de un medio a otro a diferente temperatura. En muchos casos, estos medios son dos fluidos que fluyen muy cerca el uno del otro, aunque separados por un material, generalmente metal, con buenas propiedades de transferencia de calor El

fluido de mayor temperatura transfiere parte de su calor al fluido frío a través del intercambiador de calor disminuyendo la temperatura del fluido caliente y aumentando la temperatura del fluido frio.

CAPITULO II

SISTEMAS DE RECUPERACION DE CALOR: APROVECHAMIENTO DE CALOR RESIDUAL

El calor residual es el calor contenido en los productos y subproductos de un proceso, que eleva su temperatura a niveles mayores de los adecuados para su emisión o almacenaje. Este calor puede ser aprovechado de modo que se cumplan dos objetivos simultáneamente: Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en el mismo equipo o en otros.

Disminuir la temperatura de emisión de fluidos de manera que se reduzca la contaminación térmica de la planta.

El calor residual en los efluentes de los procesos industriales supone una importante pérdida de energía térmica en la industria. El aprovechamiento de este calor aumenta significativamente la eficiencia energética de los equipos y la eficiencia global de la planta.Cuanto mayor sea la temperatura de la fuente de calor residual, mayor será la capacidad de aprovechamiento de este calor.En general, en una planta, los equipos susceptibles de ser mejorados con medidas de recuperación de calor residual son múltiples: Hornos eléctricos y de gas.

Calderas de todo tipo (gas, gasóleo, biomasa, etc.).

Secaderos.

Evaporadores.

Compresores.

Sistemas de refrigeración.

Turbinas.

Motores.

Instalaciones de cogeneración.

2.1. Líneas de aprovechamiento

Las líneas de aprovechamiento de calor residual son fundamentalmente dos:Recuperación del calor residual de gases de combustión. Aproximadamente, una disminución de 20ºC en la temperatura de emisión de estos gases implica un aumento del rendimiento energético de una caldera de un 1%. Dado que los gases de combustión salen muy calientes, la posible reducción de la temperatura es grande, alcanzándose ahorros significativos.

Recuperación del calor residual de otros fluidos. En este punto se incluye el aprovechamiento del calor de aguas residuales calientes procedentes de

procesos de refrigeración de equipos. Las posibilidades de aprovechamiento son menores, y las temperaturas son mucho menores que en el caso de gases de combustión.

2.2. Componentes

A. Economizadores de calderas

Elevan la temperatura del agua que alimenta la caldera obteniendo un ahorro de combustible en el hogar.

Están compuestos, básicamente, por un haz de tubos agrupados convenientemente, por el interior de los cuales circula el agua a calentar, mientras que los gases de combustión bañan la superficie exterior.

Los tubos tienen cuatro conformaciones fundamentales, que los hacen aptos para una u otra función:

Tubos AESS, de acero estirado sin aletas. Se emplean de forma general cuando la temperatura de los gases es muy alta, con grandes saltos térmicos entre las paredes del tubo y gran transferencia de calor.

Tubos AA, de acero estirado con aletas transversales de acero. Se emplean en cualquier proceso de transferencia de calor siempre que no haya riesgo de corrosión por rocío ácido.

Tubos F, de hierro fundido con aletas. Se obtienen por fundición directa de la pieza. Mayor resistencia a la corrosión que el acero (hasta veinte veces mayor). Fueron los más empleados en el pasado, pero su uso está en declive por su baja resistencia mecánica, lo que los hace no aptos para economizadores con vaporización.

Tubos AF, de acero estirado recubierto de piezas de hierro fundido. Combinan la resistencia mecánica del acero con la resistencia a la corrosión del recubrimiento de hierro. Son los más utilizados en la actualidad.

Para evitar el fenómeno del rocío ácido, se debe operar con las siguientes temperaturas mínimas:

Temperaturas mínimas del agua y los gases para distintos tubos

Tipo de tuboTemperatura min.

gasesTemperatura min. agua

Tubos de acero (AESS, AA) 160-170ºC 120-130ºC

Tubos recubiertos de hierro (F,

AF)150-160ºC 70-80ºC

B) Sistemas bi-transfer

En estos sistemas, el calor no fluye desde los gases al agua directamente, sino que se utiliza un fluido portador que transfiere el calor de uno a otro.Son muy indicados cuando, por la localización física de los dos fluidos frío y caliente, no es posible un contacto directo entre ellos. Un adecuado aislamiento de tubería y una bomba son suficientes para transportar el calor residual salvando grandes distancias.

El fluido portador será agua siempre que las condiciones de operación lo permitan (menos de 200ºC, ya que mayores temperaturas implican una presión difícil de mantener). Cuando no sea así se empleará un aceite térmico.

Los tubos utilizados para el intercambio son AF, en el caso de que el combustible contenga azufre, y AA, si está exento de él.

C) Condensación de vapores de agua residuales en secaderos

Los gases procedentes de secaderos salen a alta temperatura y portando un alto grado de humedad en estado de vapor, de modo que de ellos se puede recuperar tanto calor sensible como calor latente de condensación.El intercambio se puede llevar a cabo de dos formas:

Método directo. Los gases y el agua a calentar se mezclan físicamente, llegándose a alcanzar el equilibrio térmico.

Método indirecto. El intercambio se hace a través de unos tubos, donde condensa parcialmente la humedad del gas de secado.En ambos casos se necesita un sistema de recogida del agua condensada.

D) Tubos térmicos

Un tubo térmico es el conjunto de dos tubos concéntricos sellados, de forma que el fluido que contiene en su interior no puede salir de él. Este fluido portador es llevado de un extremo a otro por efecto de la capilaridad, y puede ser tanto agua, como fluidos orgánicos, incluso metales como mercurio o sodio para aplicaciones especiales.Si se suministra calor en un extremo, el fluido portador se evapora y pasa a la parte central del tubo por capilaridad, fluyendo después por efecto de la

presión hacia el otro extremo, donde condensa cediendo su calor latente a otro fluido, para volver por último al espacio entre tubos por capilaridad.Por lo tanto, los bancos de tubos térmicos se han de colocar con un extremo en el foco caliente (gas de combustión) y otro en el foco frío (agua o aire a calentar).

E) Calentadores de aire comburente en calderas, hornos y secaderos

Existen numerosos tipos de calentadores, que pueden trabajar en distintos rangos de temperatura:

1. Calentadores de tubos lisos de acero. Consiste en un haz de tubos contenidos en una carcasa exterior. Los gases circulan por el interior de los tubos y el aire por el exterior en contracorriente.2. Calentadores de tubos de acero con superficies extendidas. La utilización de aletas permite reducir el volumen total del calentador.3. Calentadores de hierro fundido con aletas. Se utilizan tubos de sección rectangular colocados horizontalmente. El aire fluye por el interior.4. Calentadores de vidrio de borosilicato. Para bajas temperaturas de los gases estos calentadores presentan una serie de ventajas como la alta transferencia de calor (no se producen incrustaciones debido a la baja rugosidad), resistencia a la corrosión y facilidad de limpieza. Como desventajas están la fragilidad del vidrio y las dilataciones térmicas.5. Calentadores de aceros refractarios. Se utilizan para altas temperaturas y son haces de tubos que pueden transmitir calor por convección, radiación o una combinación de las dos. En caso de los recuperadores de radiación, hay que tener cuidado de que la temperatura de los gases sea constante, ya que el calor emitido es proporcional a la cuarta potencia de esta temperatura, y pequeñas variaciones resultarían en grandes cambios en la temperatura del aire calentado. Por tanto no son aptos para hornos discontinuos.6. Regenerativos. Consisten en una estructura metálica rotativa de superficie extendida para acumular calor más rápidamente. El giro pone a las celdas en contacto con los focos caliente y frío alternativamente, transportando así el calor.7. Regeneradores cerámicos. Constan de dos zonas rellenas de ladrillos cerámicos. Al principio, los gases atraviesan una de las zonas calentando los ladrillos, pasando el aire por la otra zona. Luego el flujo se invierte y es el aire el que cruza por la zona de ladrillos calientes, absorbiendo calor y enfriándolos. El proceso se repite alternativamente. Pueden manejar gases corrosivos a altas temperaturas.

F) Precalentamiento del producto de los hornos

Los gases de salida de los hornos se pueden recircular en contracorriente de modo que precalienten el producto en una cámara de precalentamiento, recuperándose su calor sensible en mayor medida antes de escapar por chimenea.

Los hornos se encargan de producir calor y mantenerlo dentro de un compartimento capaz de contenerlo y circularlo. La energía calorífica es el origen del funcionamiento de los hornos y suele obtenerse directamente de la combustión de diferentes materiales o a través de la aplicación de electricidad. 

Los hornos industriales

Al igual que cualquier otro tipo de hornos, los industriales tienen el objetivo principal de elevar la temperatura de un cuerpo por encima de la temperatura ambiente. Mediante un intercambio de energía calorífica, los hornos aumentan su temperatura y transfieren determinadas cantidades de calor al cuerpo o material que se encuentra en su interior. Los objetivos de los hornos industriales suelen ser los mismos de cualquier otro tipo de horno y pueden ir desde la mera elevación de temperatura hasta la fundición de materiales, con la diferencia del tipo de materiales que se utilizan, de los niveles de incremento en las temperaturas, muy superiores a los que ofrecen los hornos convencionales, y de que son utilizados exclusivamente en procesos industriales. En términos generales, podemos hablar de los siguientes objetivos de los hornos industriales:

 

- Incrementar exponencialmente la temperatura de un cuerpo- Fundir materiales pesados o de estructura dura, como los metales- Ablandar materiales para un tratamiento posterior

Funcionamiento de los hornos industriales

Cada horno trabajará de diferente manera, según su uso y diseño. Sin embargo, existen puntos que todos tienen en común en cuestión de funcionamiento:

 1. Los materiales son introducidos en la zona de trabajo, misma que se encuentra aislada del entorno por medio de bóvedas.2. Ya sea con la quema de combustible o mediante el consumo eléctrico, la temperatura al interior del horno aumenta. Los niveles de este aumento suelen ser regulados previamente a través de un panel de control.3. El calor incrementa la temperatura de la zona de trabajo y comienza a circular dentro de ella.4. El material, que tiene una temperatura menor a la del horno, absorbe el calor que circula en el horno.5. El calor, al entrar en contacto con el material en su interior, produce una reacción cuya intensidad dependerá de la finalidad del proceso. Dicha reacción puede producir el mero calentamiento, el ablandamiento o la fundición completa de los materiales.

G) Bomba de calor

Sirve para recuperar el calor de aguas calientes procedentes de procesos de refrigeración. Las temperaturas no suelen superar los 55ºC-65ºC, así que la recuperación para uso industrial no es muy relevante, siendo su principal aplicación la producción de agua caliente sanitaria.

CAPITULO III

MEDICION DE TEMPERATURA

En el campo de los procesos industriales, químicos, petroquímicos, siderúrgicos, cerámico, farmacéutico, alimenticio, papel y celulosa, hidroeléctrico, nuclear, etc. el monitoreo de la variable temperatura, es fundamental para la obtención del producto final especificado.

Todas las substancias están compuestas de pequeñas partículas denominadas moléculas, que se encuentran en continuo movimiento. Cuanto más rápido es el movimiento de las moléculas, mayor es la temperatura del cuerpo. Por lo tanto podemos definir a la temperatura como el grado de agitación térmica de las moléculas. En la práctica, la temperatura se representa según una escala numérica, cuanto mayor es su valor, mayor es la energía cinética media de los átomos del cuerpo en cuestión.

Escalas de temperatura

La escala de temperaturas que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero (0 K) es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0°C) es 273.15 K, y el punto de ebullición del agua (100°C) es 373.15 K. Esta escala debe su nombre al científico escocés Lord Kelvin, que realizó muchas contribuciones al estudio de la termodinámica.

Existe otra escala de temperaturas llamada Fahrenheit. Esta escala debe su nombre a Gabriel Daniel Fahrenheit, quién utilizó mercurio para medir la temperatura y señalo el punto de fusión o congelación del agua a 32°F y el punto de ebullición en 212°F

Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son:

Temperaturas absolutasTemperaturas relativas

Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula.

Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.

En Sistema Métrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son:

-la Escala Celsius o de grados Centígrados (relativa)- la Escala Kelvin (absoluta)

La equivalencia entre las dos escalas es:

Grados Kelvin = Grados Centígrados + 273

En el Sistema de Medidas Inglesas, su equivalente será:

- La Escala Fahrenheit (Relativa)- La Escala Rankine (Absoluta)

La equivalencia entre estas dos escalas es:

Grados Rankine = Grados Fahrenheit + 460 

Por otra parte, las escalas Celsius y la Fahrenheit están referidas al mismo patrón, pero sus escalas son diferentes. El patrón de referencia usado para su definición fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son:

CAMBIO DE ESTADO ºCELSIUS ºFARENHEIT

SOLIDO - LIQUIDO 0 32

LIQUIDO - GAS 100 212

Como se puede deducir de la tabla anterior, por cada grado Celsius de cambio térmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la equivalencia entre estas dos escalas será:

Grados Fahrenheit = Grados Celsius * 1,8 + 32

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad con frecuencia incluye la medición de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea.

El ingeniero de procesos y el instrumentista deben decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.

CAPITULO IV

INDUSTRIA Y EMPRESAS INDIVIDUALES

En la industria se requiere energía sobre todo para aplicaciones de calor de proceso, técnicas de accionamiento y transporte, calor para recintos e iluminación. 

La mayor parte, con diferencia, de la necesidad energética, se requiere para generar calor para procesos técnicos. El calor de proceso se genera a partir de diversos portadores de energía y se transporta a través de diferentes medios, como por ejemplo agua caliente, vapor o aire caliente. La corriente eléctrica se requiere sobre todo para motores eléctricos, iluminación o procesos galvánicos. Aparte del calor de proceso, la energía térmica también se utiliza para calentar espacios y agua de servicio.

Nuestros sistemas se diseñan a la medida de sus necesidades y encuentran numerosas aplicaciones en prácticamente todas las áreas industriales. Nuestro enfoque está siempre dirigido a la seguridad de suministro y la eficiencia energética.

Bebidas, alimentos

El vapor o el agua caliente, y por supuesto la electricidad, desarrollan en la producción de alimentos y bebidas un papel fundamental como energía. Todos los procesos de producción importantes como pasteurizar, esterilizar, lavar, cocer, cocer al vapor o limpiar requieren vapor o agua caliente.

Industria farmacéutica, química y petroquímica

Para muchos pasos de proceso de la industria química y farmacéutica, como la destilación, rectificación, extracción, absorción, síntesis o refinamiento se requieren tanto grandes cantidades de calor, con un alto nivel de temperatura, como energía eléctrica.

Papel, cartón ondulado y presión

Gracias a su capacidad de trasmisión de calor, el vapor saturado se suele utilizar para cocinar, secar, alisar, ondular, pegar o imprimir papel. La energía eléctrica se utiliza para una gran variedad de accionamiento de máquinas.

Materiales de construcción

Para la fabricación de ladrillos moldeados también se requiere vapor. Los materiales básicos se mezclan, presionan y presurizan en grandes depósitos a presión (autoclaves) mediante vapor. Éstos se endurecen a altas temperaturas y presiones, transformándose en ladrillos acabados.

Lavanderías y tintorerías

El calor de proceso se utiliza aquí sobre todo para calentar agua de lavado y para los procesos posteriores, como prensado, calandrado, planchado o acabado de la ropa.

Referencias

Gas Natural Fenosa. “Aprovechamiento del calor residual”. Consultado el 19 de noviembre del 2015 http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/sistemas-de-recup-de-calor-aprovechamiento-de-calor-residual#ancla

Wikipedia. “Calor” Consultado el 19 de noviembre del 2015. https://es.wikipedia.org/wiki/Calor

Física en línea. “Temperatura”. Consultado el 19 de noviembre de 2015 https://sites.google.com/site/timesolar/medici%C3%B3n/temperatura

Barragán, Antonio, Héctor Núñez y Guillermo Cerpa. Introducción a la Física. 2014. Larousse