Ingeniería Mecánica · 2025
Diseño y modelado de un banco de análisis de intercambiador de placas para el laboratorio de sistemas térmicos
El presente trabajo de grado tuvo como objetivo principal el diseño de un banco de laboratorio para el análisis de intercambiadores de calor de placas, destinado al Laboratorio de Sistemas Térmicos de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Industrial de Santander. Mediante la aplicación de una metodología de diseño sistemática, se desarrolló inicialmente un diseño conceptual, identificando y seleccionando los sistemas principales que conformarían el banco. A partir de esta selección, se establecieron los parámetros operativos y de diseño necesarios para el proyecto. En paralelo, se validó un modelo de cálculo para intercambiadores de calor mediante la comparación con datos experimentales reales, asegurando la consistencia y precisión del modelo. Una vez validado el modelo, se procedió al cálculo y dimensionamiento de los sistemas de calentamiento, enfriamiento y el intercambiador de calor seleccionado para el diseño. Como resultado de estos cálculos, se determinó el tipo de intercambiador de placas más adecuado, se seleccionó la bomba requerida para el sistema y se eligió el material aislante necesario para minimizar las pérdidas de calor en las tuberías. Finalmente, se elaboró el diseño detallado del banco de laboratorio, utilizando el software SolidWorks para modelar cada componente y generar los planos técnicos correspondientes. Además, se realizó una consulta con distribuidores locales y nacionales para cotizar los elementos seleccionados, obteniendo así un estimado del costo total de construcción del proyecto.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 20
- DE INGENIERÍA MECÁNICAp. 21
- 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 21
- 1.2 JUSTIFICACIÓN PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMAp. 22
- 1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTOp. 22
- 1.3.1 Objetivos generalesp. 22
- 1.3.2 Objetivos específicosp. 23
- 2. MARCO TEÓRICOp. 23
- 2.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR POR PLACASp. 23
- 2.1.1 Historiap. 24
- 2.1.2 Componentes principalesp. 27
- 2.1.2.1 Bastidorp. 28
- 2.1.2.2 Placasp. 41
- 2.1.2.3 Juntasp. 31
- 2.1.3 Funcionamientop. 33
- 2.1.4 Tipos de intercambiadores de placasp. 34
- 2.2.1 Balance de energía en sistemas de flujo estacionariop. 35
- 2.2.2 Transferencia de calor en intercambiadoresp. 35
- 2.2.3 Coeficiente global de transferencia de calorp. 86
- 2.2.4 Diferencia media logarítmica de temperaturap. 36
- 2.2.5 Área de transferencia de calorp. 80
- 2.2.6 Numero de placasp. 39
- 2.2.7 Diámetro hidráulico del canalp. 118
- 2.2.8 Número de Reynolds para las placas corrugadasp. 40
- 2.2.9 Número de Nusselt para las placas corrugadasp. 42
- 2.2.10 Coeficiente de convecciónp. 115
- 2.2.11 Caída de presión en intercambiadores de calor por placasp. 45
- 2.3 ANÁLISIS TEÓRICO EN REDES DE TUBERÍASp. 46
- 2.3.1 Ecuación general de energíap. 47
- 2.3.2 Flujos en tuberíasp. 47
- 2.3.2.1 Pérdidas de tuberíasp. 48
- 2.3.2.2 Pérdidas en tubosp. 48
- 2.3.2.3 Pérdidas por accesoriosp. 51
- 2.3.3 Potencia necesaria de bombeop. 131
- 2.3.3.1 Cavitación y NPSHp. 54
- 2.4 ANÁLISIS TERMICO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DEL AISLANTEp. 55
- 2.4.1 Resistencia térmicap. 56
- 2.4.2 Conducciónp. 56
- 2.4.3 Convecciónp. 133
- 2.4.3.1 Convección externa natural en tuberíap. 58
- 2.4.3.2 Convección forzada interna en tuberíap. 60
- 2.4.4. Radiaciónp. 61
- 3. DISEÑO CONCEPTUALp. 62
- 3.1 DESPLIEGUE DE LA MATRIZ DE SELECCIÓNp. 62
- 3.1.1 Requerimiento del banco de laboratoriop. 62
- 3.1.2 Organización de requerimientosp. 63
- 3.1.3 Criterios de diseñop. 63
- 3.2 MATRIZ DE SELECCIÓN DEL BANCO DE LABORATORIOp. 63
- 3.3 MATRIZ DE SELECCIÓN DE LOS SUBSISTEMAS PRINCIPALESp. 65
- 3.3.1 Matriz de selección subsistema de intercambiador de placasp. 65
- 3.3.1.1 Planteamiento de alternativas de intercambiadores de placasp. 65
- 3.3.1.2 Evaluación de alternativas de intercambiadores de placasp. 67
- 3.3.2 Matriz de selección subsistema del subsistema de calentamientop. 68
- 3.3.2.1 Planteamiento de alternativas de sistemas de calentamientop. 69
- 3.3.2.2 Evaluación de alternativas de sistemas de calentamientop. 71
- 3.3.3 Matriz de selección subsistema de enfriamientop. 72
- 3.3.3.1 Planteamiento de alternativas de sistemas de enfriamientop. 72
- 3.3.3.2 Evaluación de alternativas de sistemas de enfriamientop. 76
- 3.4 ESPECIFICACIÓN DE LA ALTERNATIVA GANADORAp. 77
- 4. VERIFICACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICOp. 78
- PLACASp. 41
- 5.1 REQUERIMIENTOS INICIALES DEL SISTEMAp. 83
- 5.1.1 Selección de la unidad de enfriamientop. 83
- 5.1.2 Selección del calentador eléctricop. 83
- 5.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR POR PLACASp. 84
- 5.2.1 Proceso de cálculo del intercambiador de calor por placasp. 85
- 5.3 DISEÑO DE LA MESA DE TRABAJO DEL BANCO DE LABORATORIOp. 88
- 5.3.1 Estructura de la mesap. 88
- 5.3.2 Nivel superior de la mesap. 89
- 5.3.3 Nivel inferior de la mesap. 91
- 5.3.4 Ruedas de la mesap. 93
- 5.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO Y TUBERIAp. 94
- 5.4.1 Distribución de sensores, tubería y accesoriosp. 94
- 5.4.2 Proceso de cálculo y selección de la bomba recirculadora de agua calientep. 97
- 5.4.3 Análisis térmico para el flujo de calorp. 101
- 6. COSTOSp. 104
- 7. CONCLUSIÓNp. 107
- BIBLIOGRAFÍAp. 109
- ANEXOSp. 112
- Figura 1. Patente No. 58504 de un intercambiador de calor por placasp. 24
- Figura 2. Intercambiador de calor inventado por el Dr. Richard Selifmanp. 25
- Figura 3. Primer intercambiador de calor por placas comercial de Alfa Lavalp. 26
- Figura 4. Intercambiador de placas con juntasp. 27
- Figura 5. Placa de tipo Chevronp. 29
- Figura 6. Disposición invertida de las placas tipo Chevronp. 30
- Figura 7. Disposición de las juntas en el intercambiador de placasp. 31
- Figura 8. Principio de flujo de los intercambiadores de calor por placasp. 33
- Figura 9. Disposición de temperaturas a contra flujop. 37
- Figura 10. a) Dimensiones de las placas corrugadas. b) Dimensiones del corrugadop. 37
- Figura 11. Configuración 1x1 para intercambiador de calor por placasp. 40
- por placasp. 88
- Figura 13. Coeficientes de resistencia de entradas según su geometríap. 52
- Figura 14. Válvula de bolap. 52
- Figura 15. Factor de fricción en la zona de turbulencia completap. 53
- Figura 16. Codos de tubería y tes estándarp. 53
- Figura 17. Intercambiadores de placas soldadasp. 66
- Figura 18. Intercambiadores de placas con juntas o desmontablesp. 67
- Figura 19. Calentador solarp. 69
- Figura 20. Calentador eléctricop. 70
- Figura 21. Calentador a gasp. 71
- Figura 22. Intercambiador de calor de doble tubop. 73
- Figura 23. Unidad de enfriamientop. 74
- Figura 24. Unidad de enfriamiento chillerp. 75
- Figura 25. Torre de enfriamientop. 76
- Figura 26. Esquema de la alternativa ganadorap. 78
- TSC 510p. 79
- de calor por placasp. 81
- Figura 29. Estructura de la mesap. 89
- Figura 30. Lamina de acero inoxidable para le nivel superior de la mesap. 90
- Figura 31. Láminas de sujeción del intercambiador de calor por placasp. 90
- Figura 32. Ensamble del nivel superior de la mesap. 91
- Figura 33. Lamina de acero inoxidable para le nivel inferior de la mesap. 91
- Figura 34. a) Tanque de acrílico. b) Soporte para el tanquep. 92
- Figura 35. Ensamble del nivel inferior de la mesap. 93
- Figura 36. Ensamble de las ruedas en la mesap. 93
- Figura 37. Disposición de los equipos de mediciónp. 95
- Figura 38. Distribución de las tuberías en la mesa de laboratoriop. 96
- abrazadera perforada. c) Grapa de polipropilenop. 97
- hidráulicos señaladosp. 98
- Figura 41. Punto de trabajo en la curva de la bomba Shinhoo Instant 15-1,5p. 100
- Figura 42. Punto de trabajo en la curva de la bomba EVANS BRAC120Wp. 101
- equivalente para el fluido fríop. 102
- Tabla 1. Guía de selección de materiales de placap. 30
- Tabla 2. Guía de selección de materiales para juntasp. 32
- el cálculo de intercambiadoras de calor por placasp. 44
- Tabla 4. Matriz de calidad de los subsistemasp. 64
- Tabla 5. Resultados de la matriz de selección para los subsistemasp. 64
- Tabla 6. Matriz de selección del subsistema de intercambiador de placasp. 65
- Tabla 7. Resultados de la selección del subsistema de intercambiador de placasp. 65
- Tabla 8. Resultados alternativas subsistema de intercambiador de placasp. 68
- Tabla 9. Resultados de la matriz de selección del subsistema de calentamientop. 68
- Tabla 10. Resultados de la matriz de selección del subsistema de calentamientop. 68
- Tabla 11. Resultados alternativas subsistema de calentamientop. 71
- Tabla 12. Resultados de la matriz de selección del subsistema de enfriamientop. 72
- Tabla 13. Resultados de la matriz de selección del subsistema de enfriamientop. 72
- Tabla 14. Resultados alternativas subsistema de enfriamientop. 76
- Tabla 15. Datos de entrada para la comprobación del modelo matemáticop. 80
- Tabla 16. Resultados de la validación del modelo matemáticop. 80
- Tabla 17. Datos inicialesp. 84