1.
Introduccion
Se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores enfriar vapores provenientes de ladestilación ladestilación en un calderín y así condensarlos en forma líquida. Suele ser de vidrio, cobre u otro material que conduzca el calor fácilmente. Este aparaton se utiliza de diversas formas pero mas comunmente en el laboratorio de quimica. Los serpentines se usan desde la antigüedad en la destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico puede utilizar un serpentín, bien para enfriar, bien para calentar líquidos o gases. Los calentadores de agua para el hogar que funcionan con gas butano llevan un serpentín, que es expuesto a las llamas y dentro del cual circula el agua a calentar. También se utiliza un aparato muy parecido para esterilizar la esterilizar la leche, el cual la somete a un cambio brusco de temperatura haciéndola pasar de un serpentín caliente a otro refrigerado en u n lapso breve. El serpentín también forma parte de los equipos de aire acondicionado y/o refrigeración. El serpentín es un equipo intercambiador de calor que calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante a baja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort. El diseño térmico de serpentines para tanques incluye la determinación del área de transmisión de calor requerido para mantener el contenido del tanque a una temperatura constante o para aumentar o disminuir la temperatura de su contenido, de acuerdo con una magnitud especifica, en un tiempo determinado. 2.
Fundamento Teórico Tanques con serpentines
Se fabrican tanques con serpentines de tuberías, en una amplia variedad de configuraciones, dependiendo de las aplicaciones y de la geometría del recipiente. Serpentines helicoidales: usados principalmente en tanques de proceso y recipientes a presión, en los que se precisa de grandes áreas para un rápido calentamiento. En general, los serpentines de calentamiento se sitúan en la zona baja del tanque al contrario de los de enfriamiento que se sitúan en la parte superior del tanque. El material que tiende a solidificar al enfriarse puede cubrir uniformemente el fondo o la zona de agitación, por lo que se recomienda un espacio máximo de 0.6 m entre recodos de 50.8 mm y tuberías grandes, así como su situación próxima a las paredes del tanque. Para tuberías más pequeñas o para medios de calentamiento
de
baja
temperatura,
debería
utilizarse
un
espaciado
menor.
En serpentines tipo horquillas, comunes en tanques verticales cilíndricos, esto significa añadir un anillo
circundante
de
abrazadera
a
152
mm
de
la
pared
del
tanque.
Los serpentines deberían situarse sobre el fondo, a una elevación de no más de 50.8 a 152 mm dependiendo de la dificultad de reblandecimiento de los sólidos, para permitir el movimiento del d producto dentro del recipiente. La entrada del serpentín debería colocarse por encima del nivel de líquido, de modo que sea posible proporcionar
un
camino
para
la
expansión
del
líquido
o
de
la
salida
para
vapores.
El espesor de pared a seleccionar varía con el tipo de servicio y material. Los serpentines de acero al carbono se fabrican con tubería de catalogo 80 o superior, en el caso de serpentines de acero inoxidable o de otras aleaciones no sujetas a corrosión o presiones excesivas puede emplearse tubería de catalogo 5 o 10 para mantener un costo mínimo, aunque se requieren soldaduras de alta calidad para este tipo de paredes delgadas. Serpentines de tubos aleteados se emplean para fluidos con características pobres para transmisión de calor, al objeto de proporcionar una mayor superficie para la misma configuración, a un costo reducido, o cuando debe minimizarse el fenómeno de ensuciamiento. Los tubos aleteados no se emplean cuando la cobertura del fondo es importante. Los calentadores de tanques tipo tubo con aletas consisten en un haz de tubos fabricado de manera compacta, que pueden introducirse en el interior del tanque atreves de un agujero de hombre. Normalmente se colocan de forma vertical con aletas longitudinales, para dar lugar a corrientes de convección adecuadas. Para mantener los calentadores en la zona baja del tanque, pueden disponerse horizontalmente con aletas helicoidales o con aletas longitudinales perforadas, para prevenir el atrapamiento. El tubo aleteado se emplea a menudo para materiales muy sensibles al calor debido a una menor temperatura superficial para el mismo medio de calentamiento, lo que resulta en una menor tendencia al ensuciamiento. Serpentines de placa o panel: Fabricados con dos hojas metálicas, con una o amabas caras estampadas con relieves para originar caminos preferentes de flujo para el medio de calentamiento o enfriamiento, pueden emplearse en lugar de los serpentines de tubería. Estos serpentines son ligeros de peso y fáciles de instalar y retirar para su limpieza. Están disponibles en todo in intervalo de tamaños estándar, tanto en forma de placa como en forma de hoja curvada. Los tranques de proceso se construyen empleando serpentines tipo panel para los lados o el fondo del tanque. Este tipo de construcción del serpentín se emplea
cuando
fluyen
líquidos
atreves
de
la
unidad.
También se encuentran disponibles serpentines de vidrio normalizados, con una superficie de transmisión de calor de 0.18 a 11.2 m2, así como unidades tipo placas fabricadas en grafito impermeable. Serpentines de inmersión de teflón. Existen disponibles serpentines de inmersión fabricados en resina de teflón fluorocarbonado con 2.5 mm de diámetro interno de tubo para aumentar la eficiencia global de la transmisión de calor. Estas unidades están disponibles en haces flexibles constituidos por 100, 160,280,
500 y 650 tubos, con longitudes estándar que varias en incrementos de 0.6 metros entre 1.2 y 4.8 metros. Estos serpentines se emplean principalmente en baños de pulidos de metales y son adaptables para su uso en recipientes de reacción, cristalización y tanques que emplean fluidos corrosivos. Calentadores de bayoneta Un elemento tubo-bayoneta consiste en un tubo externo y otro interno. Estos elementos se insertan en tanques y recipientes de procesos con propósitos de calentamiento y enfriamiento normalmente, el tubo externo está fabricado en aleación cara o en un material no metálico (vidrio o grafito impermeable), mientras que el tubo interno es de acero al carbón. Fabricados en vidrio, existen elementos con 50.8 0 76.2 mm de tubería de vidrio con longitudes de 2.7 m que están en contacto con el fluido externo y van provistos de un tubo interno fabricado en metal. Serpentines externos y trazadores. Los tanques, recipientes y líneas de tubería pueden equiparse para calentamiento y enfriamiento con serpentines externos, que son generalmente de 9.8 a 19 mm , para dar lugar a una buena distribución sobre la superficie y suelen ser de cobre blando o aluminio, pudiendo doblarse manualmente para adaptarlos al contorno del tanque o de la línea. Cuando se requiere evitar puntos calientes se introducen trazadores de modo que no toquen las paredes del tanque. El empleo de cementos de transmisión de calor mejora el rendimiento. Estos materiales, tipo macilla de lata conductividad térmica se aplican con llama o se introducen el espacio existente entre el serpentín y el tanque
o
la
superficie
de
la
línea
de
tubería.
Recipientes encamisados. A menudo se emplea el encamisado en tanques que precisan una limpieza frecuente así como para recipientes de vidrio que sean difíciles de equipar con serpentines internos. La camisa elimina la necesidad de serpentín y proporciona un mejor coeficiente global de transmisión de calor que los serpentines externos. No obstante solo se dispone de un área limitada para llevar a cabo la transmisión de calor. El encamisado convencional es de construcción sencilla y se emplea con frecuencia y es más eficaz con un valor condensable. Un fluido liquido, empleado como agente de t5ransmison de calor, no mantiene uniforme sus características en el interior de la camisa. La entradas de orquilla convergente, capaces de establecer un movimiento de giro en el interior de la camisa, resultan bastantes eficaces para mejorar la transmisión de calor. En estos sistemas, el espesor de pared suele ser bastante elevado a menos que se instalen anillos de refuerzo.
SERPENTIN DE TUBO : El serpentín de tubo proporciona uno de los medios más baratos de obtener
superficie para transferencia de calor, se construyen doblando longitudes variadas de tubería de cobre, acero o aleaciones, para darle forma de hélice, o serpentines helicoidales dobles en los que la entrada y salida están convenientemente localizados a lado y lado. Los serpentines helicoidales de cualquier tipo se instalan frecuentemente en recipientes cilíndricos verticales, ya sea con agitador o sin él, y siempre se provee de un espacio entre le serpentín y la pared del recipiente para circulación. Otro tipo de serpentín es
el de espiral plano, que es un espiral enrollado en un plano de manera que se puede localizar cerca del fondo de un recipiente para transferir calor por convección libre. La manufactura de los serpentines, particularmente con diámetros superiores a una pulgada, requiere técnicas especiales para evitar que el tubo se colapse dando secciones elípticas, ya que esto reduce el área de flujo. El intercambiador de calor de doble tubo normalmente se usaría para muchos sistemas continuos que tienen deberes de calor de pequeño a mediano. Sin embargo, el intercambiador de calor de rollo helicoidal (HCHE) podría ser una opción mejor en algunos casos: • Donde el espacio está limitado, donde no pueda ponerse un tubo recto largo • Bajo las condiciones de flujo del laminar o el velocidad de flujo bajo, donde un intercambiador de calor de coraza y tubo se pondría antieconómico debido a los coeficientes de transferencia de calor bajos resultantes. • Donde la caída de presión de un fluido está limitada (por ejemplo, debido al flujo a través de otro equipo del proceso).