Medida de la temperatura de pared en intercambiadores de calor de superficie rascada mediante termopares embebidos

Abstract

Los procesos de calentamiento o enfriamiento de fluidos son habituales en la industria química, petroquímica y alimentaria. Típicamente estos procesos tienen lugar en intercambiadores de calor en los que el producto es calentado o enfriado mediante el flujo de un fluido secundario. Para evaluar y caracterizar la transferencia de calor al producto, es necesario determinar el flujo de calor q que este recibe y, a partir de él, definir el coeficiente de transmisión de calor. Este coeficiente representa la medida de la convección existente entre pared y fluido, y para su determinación resulta fundamental conocer con suficiente precisión la temperatura de pared Tp. Por otro lado, en multitud de situaciones el empleo de fluidos altamente viscosos, la acumulación de suciedad en la pared o la naturaleza del proceso en sí (p.ej. procesos de cristalización) requieren además del empleo de elementos rascadores, que limpian las paredes e incrementan el mezclado. Esto añade aún más dificultad a la medida de la temperatura de pared, imposibilitando cualquier acceso a la misma por el lado "rascado". Como alternativa solo queda emplear un coeficiente de transmisión de calor global [1] o medir la temperatura en el lado opuesto [2]. El presente trabajo introduce una nueva técnica de medida de la temperatura de pared basada en el uso de termopares embebidos directamente en ésta y muy próximos a la superficie. Para ello se introdujo cable de termopar tipo T en un agujero de diámetro reducido (φ 4 mm) practicado en la pared (espesor 8 mm, acero AISI 316). El agujero se rellenó posteriormente mediante soldadura con metal de aporte, que actúa a su vez como material de junta del termopar. Una vez soldado, todo el conjunto (pared + termopares) se calibró en una cámara a temperatura constante. El sistema de medida propuesto ha sido probado en un intercambiador de calor de placas de superficie rascada rotativo empleado para la producción de hielo líquido [3]. Un total de 26 termopares fueron soldados a la placa, presentando una dispersión en la medida de 0,3 ºC y un error en la medida después de su calibración de 0,2 ºC. El error respecto al valor de Tp real y la respuesta en frecuencia de los termopares en la medida de la temperatura se determinó mediante la simulación numérica del campo bidimensional de temperaturas en la pared, en régimen transitorio y ante distintas oscilaciones impuestas en Tp. Se ha determinado la influencia del espesor de la placa y su conductividad, la conductividad del material de aporte, la posición del termopar y el flujo de calor que cruza la pared.