REVISTA
ODIGOS
rodigos@uisrael.edu.ec
• e-ISSN: 2697-3405
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QUITO-ECUADOR
2024 33
Período junio - septiembre 2024
Vol. 5, Núm. 2
Transformación de un reactor en desuso para su utilización
como intercambiador de calor
Transformation of a decommissioned reactor for its use as a heat
exchanger
Fecha de recepción: 2023-12-14 Fecha de aceptación: 2024-04-02 Fecha de publicación: 2024-06-10
Victoria Inés Acuña Ramírez 1
Universidad Metropolitana, Venezuela
victoria.acuna@correo.unimet.edu.ve
https://orcid.org/0009-0007-4212-6882
José Manuel Barriola Damborenea 2
Universidad Metropolitana, Venezuela
jbarriola@unimet.edu.ve
https://orcid.org/0009-0001-6214-9850
Miguel Manuel Pérez Hernández 3
Universidad Metropolitana, Venezuela
mperez@unimet.edu.ve
https://orcid.org/0000-0002-8237-8538
RESUMEN
La investigación se centró en revitalizar un reactor inactivo por más de 25 años, otorgándole una
doble función como intercambiador de calor. Este proceso implicó una reingeniería completa, la
incorporación del control de procesos mediante el monitoreo de variables claves y la creación de un
manual de uso y un plan de mantenimiento para maximizar su durabilidad y mejorar la disponibilidad
https://doi.org/10.35290/ro.v5n2.2024.1155
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del equipo. Inicialmente, se llevó a cabo una revisión teórica del material necesario, seguida por una
evaluación de las condiciones iniciales del equipo. Además, se corrigieron los errores identicados
y se determinaron las reparaciones y adquisiciones necesarias. Posteriormente, se propuso un
enfoque que permitiera a la Universidad Metropolitana aprovechar el equipo para nuevas prácticas
e investigaciones, incorporando un control de procesos automatizado que permitió el registro
de variables relevantes y facilitó su análisis posterior, integrando sensores para registrar datos
signicativos. Los valores cuantitativos obtenidos de las pruebas, como la velocidad de transferencia
de calor y la uniformidad de su distribución radial demostraron que la agitación afecta la transferencia
de calor y su distribución. Esta propuesta ayudó a mitigar el costo de oportunidad al tener el equipo
operativo para la educación y la investigación, generando benecios nancieros para la institución.
PALABRAS CLAVE: control de procesos, mantenimiento, intercambiador de calor, reingeniería,
reactor, sensores
ABSTRACT
The research focused on revitalizing an inactive reactor for over 25 years, granting it a dual
function as a heat exchanger. This process involved a complete reengineering effort, incorporating
process control through monitoring key variables, and creating a user manual and maintenance
plan to maximize its durability and improve equipment availability. Initially, a theoretical review
of the necessary material was conducted, followed by an assessment of the initial equipment
conditions. Identied errors were corrected, and necessary repairs and acquisitions were determined.
Subsequently, an approach was proposed to allow Metropolitan University to utilize the equipment
for new practices and research, integrating automated process control that enabled the recording
of relevant variables and facilitated subsequent analysis. Sensors were also integrated to capture
signicant data. Quantitative values obtained from tests, such as heat transfer velocity and the
uniformity of its radial distribution, demonstrated that agitation affects heat transfer and its distribution.
This proposal helps mitigate opportunity cost by keeping the equipment operational for education and
research, resulting in nancial benets for the institution.
KEYWORDS: process control, maintenance, heat exchanger, reengineering, reactor, sensors
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Introducción
En los años 90, la Universidad Metropolitana (UNIMET) adquirió un reactor que fue objeto de
estudio por Nobile y Bustamante (1998). Sin embargo, el equipo ha permanecido inoperativo
desde entonces, principalmente debido a los costos asociados con la realización de experimentos.
El estado de inactividad ha representado un costo de oportunidad para la universidad, según la
denición de Horngren et al (2012), que lo describe como la pérdida de contribución a la utilidad
al no utilizar un recurso limitado en su siguiente mejor uso alternativo. Esta situación no solo se
reere a las oportunidades perdidas para ofrecer prácticas e investigaciones como servicios, sino
también a los ingresos y la reducción de costos que la universidad ha sacricado al no aprovechar
un equipo capaz de generar diversos productos.
El manejo eciente y la maximización del uso de los recursos disponibles son claves para el éxito
empresarial, como indica Saucedo (2001). Un objetivo esencial de la cadena de suministro es
unicar estos recursos para alinearlos con los objetivos de la empresa y mejorar su competitividad.
La transferencia de calor, un fenómeno central en las industrias de ingeniería química y mecánica,
ha motivado esta investigación. La Universidad se ha propuesto transformar un reactor especíco
en un intercambiador de calor, preservando sus características mecánicas. El enfoque de
la investigación implicó evaluar el estado actual del equipo, identicando las reparaciones y
adquisiciones necesarias para su óptimo funcionamiento. Además, se buscó diseñar una propuesta
para la utilización del reactor como intercambiador de calor, con la intención de implementarla y
operar el dispositivo de manera automatizada.
Esta investigación, guiada por la relevancia de la transferencia de calor en las industrias de
ingeniería química y mecánica, se alineó con el objetivo de formar ingenieros competentes para
estas industrias. La propuesta buscó transformar un reactor en desuso de la UNIMET en un
intercambiador de calor sin modicar sus características mecánicas. Para esto, se evaluó el estado
actual del equipo para identicar las reparaciones y adquisiciones necesarias; además, se diseñó
una propuesta para su utilización como intercambiador de calor, con la nalidad de ejecutarla y
operar el dispositivo de manera automatizada.
Metodología
El reactor en desuso representaba una pérdida de recursos y oportunidades para la investigación
y la formación en el ámbito académico e industrial de los estudiantes de la universidad. Para
revitalizarlo con una doble funcionalidad, se planteó una reingeniería completa del equipo que
incluyó las siguientes fases:
• Revisión bibliográca exhaustiva: destacando la investigación previa de Nobile y
Bustamante (1998) para establecer las bases necesarias para la propuesta.
• Evaluación del equipo: diagnóstico del estado actual del reactor, incluyendo su
funcionamiento, componentes y necesidades de reparación.
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• Diseño de la transformación: selección de materiales, componentes y sensores para la
conversión del reactor en un intercambiador de calor (Kanamori et al., 2011).
• Rediseño: implementación de la transformación, incluyendo la limpieza y reparación
de componentes, la instalación del circuito eléctrico, la instalación de sensores y la
implementación de un sistema de automatización y control de procesos que incluyó la
creación de un diagrama de tuberías e instrumentación, el diseño e instalación de la
instrumentación necesaria, y la programación de un microcontrolador Arduino (Arduino,
2023) para adquirir y transmitir datos medidos por los sensores al usuario. Se documentaron
todas las modicaciones realizadas.
• Pruebas y análisis: con la propuesta implementada, se llevó a cabo la fase de pruebas
para vericar el funcionamiento del equipo y el control de procesos. Se compararon dos
escenarios: uno sin agitación durante la transferencia de calor y otro con agitación a 214
rpm, manteniendo una temperatura constante de 73 ºC (± 1 ºC). Los datos recopilados
durante las pruebas fueron registrados y gracados.
• Manuales y planes: elaboración de un manual de uso y un plan de mantenimiento preventivo
para facilitar la operación y maximizar la vida útil del equipo.
Resultados
El sistema instalado no cumplía con ciertas normas de seguridad, como se evidencia en la Figura
1, donde se utilizaba un gabinete de madera, contradiciendo las pautas establecidas por la
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (NEMA, 2020). Estas normas especican
que un gabinete eléctrico debe protegerse contra la inamabilidad. Además, debido al tiempo
de inactividad, se observó deterioro en algunos componentes, como la instalación eléctrica y el
tanque de aceite del intercambiador de calor. Asimismo, se detectó contaminación en el aceite
utilizado en el intercambiador de calor.
A continuación, se presentan en las Figura 1 y 2 algunas fotografías que documentan las
condiciones iniciales encontradas, destacando el deterioro mencionado y los errores en la
implementación.
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Figura 1
Condiciones iniciales del equipo encontrado. (a) vista general; (b) gabinete de madera; (c) interior del
reactor; (d) sistema de tuberías.
Figura 2
Condiciones iniciales del gabinete metálico del calentador (a) y de la tapa del calentador (b).
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En línea con lo anterior, en las Figuras 3 y 4 se exhiben fotografías que documentan el estado del
sistema después de llevar a cabo la limpieza y reparación de todos los equipos e instrumentos
reutilizables. En la Figura 3 izquierda se muestra el agitador de paletas perpendiculares utilizado
(Zhou et al., 2019).
Figura 3
Reactor limpio y desvinculado de las tuberías y el difusor de aire.
Figura 4
Sistema de tuberías de circulación de aceite limpio (izquierda) y tapa del calentador (derecha) tras haber
sido lijada y pintada.
En las Figuras 5 y 6 se presentan imágenes que ilustran el montaje del circuito eléctrico después
de su diseño, con corrección de errores de implementación anteriores. Los gabinetes eléctricos
NEMA 4 están diseñados para uso en interiores o exteriores para brindar un grado de protección
al personal contra el contacto accidental con el equipo encerrado; para proporcionar un grado de
protección contra la caída de suciedad, lluvia, agua, nieve, polvo llevado por el viento, salpicaduras
de agua y agua dirigida con manguera. Además, los gabinetes protegen del daño por la formación
externa de hielo en la caja.
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Figura 5
Toma externa del gabinete metálico (NEMA 4) de control eléctrico.
Figura 6
Toma interna del gabinete metálico (NEMA 4) de control eléctrico.
Por otro lado, en la Figura 7 se observa el diseño e implementación del control de procesos y su
automatización.
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Figura 7
P&ID propuesto para el control automatizado del intercambiador.
En la Figura 8, se presenta la propuesta de instalación de los sensores de temperatura DS18B20,
el cual es un sensor de temperatura digital de alta precisión fabricado por Maxim Integrated y
Dallas Semiconductor (2022). Es un dispositivo que utiliza una sola línea de comunicación, lo que
signica que requiere un solo cable para transmitir datos de temperatura y recibir comandos. Este
sensor utiliza el protocolo de comunicación OneWire, lo que facilita su integración en proyectos
electrónicos.
Figura 8
Propuesta de instalación de los sensores de temperatura (DS18B20).
En la Figura 9, se presenta el montaje de los sensores de temperatura DS18B20 y de nivel HC-
SR04, fabricado por Elecbee (2023). El sensor de nivel HC-SR04 es un dispositivo ultrasónico
utilizado para medir la distancia entre el sensor y un objeto cercano. El HC-SR04 utiliza ondas
ultrasónicas para medir distancias, emitiendo un pulso ultrasónico a través de un transductor y
luego detectando el eco cuando este rebota en un objeto. La distancia se calcula midiendo el
tiempo que tarda el pulso en viajar hacia el objeto y regresar.
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Figura 9
Montaje de los sensores de nivel (HC-SR04) y temperatura (DS18B20).
En la Figura 10, se muestra la instalación del sensor de nivel HC-SR04.
Figura 10
Instalación de los sensores en el reactor.
En la Figura 11, se esquematiza el montaje del microprocesador Arduino con las conexiones para
el control de los sensores de temperatura y de nivel con un visor Módulo de Visualización de 2x16
Caracteres.
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Figura 11
Montaje del microprocesador Arduino con sus conexiones.
Como se detalló en la sección anterior, tras establecer el montaje del nuevo sistema propuesto,
que incluía el control del proceso, se llevaron a cabo las pruebas correspondientes. Se realizaron
dos experimentos con agitación y dos sin agitación, manteniendo una temperatura constante
de 70 ºC. Al gracar los resultados, se incorporó una línea de tendencia (T*) que mejor se
ajustara al comportamiento registrado por el sensor de temperatura #3 (T3). Este sensor, que
consistentemente indicó una temperatura superior cuando no había agitación, presentó una
diferencia que prevaleció en todas las pruebas, sugiriendo que su precisión y error son distintos
a los otros tres sensores. A continuación, se proporciona una ampliación de dos de estos
experimentos, siendo la Figura 12 correspondiente a una experiencia sin agitación, y la Figura 13 a
una experiencia con agitación.
Figura 12
Vista aumentada de las experiencias, sin agitación.
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Figura 13
Vista aumentada de las experiencias, con agitación.
En las grácas anteriores, resaltan dos aspectos fundamentales. Primero, se observa la velocidad
de aumento de temperatura en el agua al entrar en contacto con la chaqueta del intercambiador de
calor, que contiene aceite a aproximadamente 73 ºC (± 1ºC).
Por otra parte, es esencial señalar que la ausencia de agitación facilita la identicación clara de
las líneas de temperatura de cada sensor. No obstante, durante la agitación, esta distinción se
vuelve más desaante, indicando una diferencia en la velocidad de transferencia de calor según la
posición radial. Este fenómeno respalda lo sugerido por Chilton et al. (1944), Pietranski (2020) y
Çengel et al. (2019).
Para validar numéricamente lo observado en las grácas, se seleccionaron tres puntos especícos
(x = 1980 s, x = 3660 s y x = 4520 s) y se calculó un ΔT, que representa la diferencia entre
la temperatura máxima (Tmax) y mínima (Tmin), captada por los sensores. Esto estableció
un intervalo para cada punto x, donde un mayor intervalo indica una mayor diferencia en las
temperaturas de los sensores, evidenciando una variación en la velocidad de aumento de
temperatura en función de la posición radial.
Además, se introdujo un ΔT’, que representa la diferencia de temperatura entre el centro del
tanque (T3) y la periferia (T1). Un mayor ΔT’ también indica una mayor diferencia entre las
temperaturas de los sensores. Las Tablas 1, 2 y 3 corroboran que las experiencias con agitación
presentan ΔT y ΔT’ más pequeños, sugiriendo que este proceso favorece la uniformidad en la
velocidad de transferencia de calor en diversas posiciones radiales.
Tabla 1
ΔT para un punto de tiempo cualquiera, x =1980 s.
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Experiencia X (s) T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) ∆T ∆T´
(± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC)
Prueba 1, sin
agitación
1980 29,4 29,4 29,6 29,4 0,2 0,2
Prueba 2, sin
agitación
1980 27 27,1 27,3 27,1 0,3 0,3
Prueba 1, con
agitación
1980 31,2 31,1 31,2 31,1 0,1 0
Prueba 2, con
agitación
1980 30,1 30,1 30,1 30,1 0 0
Tabla 2
ΔT para un punto de tiempo cualquiera, x =3660 s.
Experiencia X (s) T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) ∆T ∆T´
(± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC)
Prueba 1, sin
agitación
3660 36,1 36,1 36,3 36,1 0,2 0,2
Prueba 2, sin
agitación
3660 33,9 33,9 34,1 33,9 0,2 0,2
Prueba 1, con
agitación
3660 38,4 38,3 38,4 38,3 0,1 0
Prueba 2, con
agitación
3660 37,3 37,3 37,4 37,3 0,1 0,1
Tabla 3
ΔT para un punto de tiempo cualquiera, x =4520 s.
Experiencia X (s) T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) ∆T ∆T´
(± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC) (± 0,1 ºC)
Prueba 1, sin
agitación
4520 39,3 39,2 39,5 39,3 0,3 0,2
Prueba 2, sin
agitación
4520 37,1 37,1 37,4 37,2 0,3 0,3
Prueba 1, con
agitación
4520 41,7 41,6 41,7 41,6 0,1 0
Prueba 2, con
agitación
4520 40,7 40,7 40,8 40,6 0,2 0,1
En las Tablas 4 y 5, se presenta un resumen de las líneas de tendencia halladas en cada
experiencia, sus pendientes y el punto donde alcanzan el máximo de la función establecida. Se
reitera que Y representa la temperatura alcanzada (en ºC) y X el tiempo (en segundos) durante
el cual el agua se encuentra en contacto con la pared de la chaqueta, por donde circula el aceite
caliente a aproximadamente 73 ºC (±1 ºC).
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Tabla 4
Líneas de tendencia y ecuaciones de la pendiente.
Experiencia Ecuación de la línea de tendencia
Prueba 1, sin agitación (1)
Prueba 2, sin agitación (2)
Prueba 1, con agitación (3)
Prueba 2, con agitación (4)
Experiencia Ecuación de la pendiente
Prueba 1, sin agitación (5)
Prueba 2, sin agitación (6)
Prueba 1, con agitación (7)
Prueba 2, con agitación (8)
Tabla 5
Puntos máximos de las funciones encontradas.
Experiencia Valor de X (tiempo, en segundos) Valor de Y (temperatura del agua,
en ºC) (± 0,1 ºC)
Prueba 1, sin agitación 12.284,84 55
Prueba 2, sin agitación 9.692,96 48,4
Prueba 1, con agitación 10.982,25 55,2
Prueba 2, con agitación 9.399,17 51,5
Asimismo, en la Tabla 6 se detalló, para cada experiencia y utilizando su ecuación
correspondiente, el aumento en grados centígrados en un periodo de una hora y media. Se
evidencia que, en promedio, durante ese lapso de 5,400 segundos, la temperatura aumentó
aproximadamente 21.6 ºC sin agitación y 22.6 ºC con agitación, señalando así que la agitación
favorece la velocidad de transferencia de calor.
Tabla 6
Puntos máximos de las funciones encontradas.
Experiencia Punto 1 Punto 2
X (s) Y (ºC) (± 0,1
ºC)
X (s) Y (ºC) (± 0,1
ºC)
∆Y en 5400 s
(± 0,1 ºC)
Prueba 1, sin agitación 021 5400 42,5 21,5
Prueba 2, sin agitación 018,9 5400 40,5 21,6
Prueba 1, con agitación 022,1 5400 44,8 22,7
Prueba 2, con agitación 021,4 5400 43,9 22,5
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Por otro lado, se llevaron a cabo tres pruebas con el equipo durante aproximadamente cinco horas
con el n de monitorear la respuesta del sistema hasta alcanzar el punto de equilibrio y determinar
la ecuación que describió su comportamiento. En la Figura 14, se presenta un gráco promedio
de las experiencias mencionadas, con un margen de error de ±0.1 ºC en el aumento de grados
centígrados por segundo.
Figura 14
Temperatura en función del tiempo, durante aproximadamente 5 horas de transferencia de calor con el
aceite a aproximadamente 73 ºC (±1 ºC).
La Ecuación 9 describe de manera más precisa la dinámica de la transferencia de calor en relación
con el tiempo.
y = 7,09895.10^(-12) x^3 - 3,7.10^(-7) x^2 + 0,007033x + 20,73589 (9)
Al igualar la Ecuación 9 al valor de y=73, se determinó que la temperatura de 73 ºC se alcanza en
la masa de agua en un lapso de 22.891,15 segundos, equivalente a aproximadamente 6 horas y
20 minutos.
Cumpliendo con uno de los objetivos propuestos, en cuanto al Manual de Mantenimiento
Preventivo, se realizó una hoja de vida para cada equipo: Bomba Hidráulica, Motor de Agitación,
Calentador, Intercambiador de Calor / Reactor, Modicaciones en el Programa del Arduino,
Programa Base del Arduino, Diagramas Eléctricos, con su respectiva descripción de las
Actividades de Mantenimiento Preventivo.
En la Figura 15, se muestra como ejemplo la Hoja de Vida del motor de agitación.
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Figura 15
Hoja de vida del motor de agitación, dentro del Plan de Mantenimiento Preventivo del sistema elaborado.
Universidad Metropolitana
Hoja de vida del equipo
Nombre del equipo Motor de Agitación Ubicación Física Laboratorio de Procesos de
Fabricación, justo pasando
la entrada principal, sobre
el reactor/intercambiador de
calor.
Función del equipo Proporcionar la energía mecánica suciente para agitar la sustancia que se encuentra
dentro del reactor / intercambiador de calor.
Tipo de Equipo Equipo mecánico rotativo Marca Brown Boveri de Venezuela
S.A.
Modelo R42 – DT80N4 Serial 25306
Sistema del que
depende
Prácticas de laboratorio y trabajos de investigación.
Condiciones
Mecánicas
Potencia: 0,75 kW
Frecuencia: 60 Hz.
Energía de trabajo: 1 HP.
Condiciones
Eléctricas
Conexión trifásica.
Voltaje: 230YY / 460Y
Amperaje: 3,8 / 1,9 A
El breaker que la activa es Q2 (Q1 ha de estar pasado).
Se enciende y apaga a través de S4 y S3 respectivamente.
Comentarios Está conectado a un variador de velocidad (recibe conexión bifásica y entrega trifásica. El
variador es marca Telemecanique, modelo Altivar 18) y a un reductor.
Memoria fotográca
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En cuanto al Manual de Uso, según Knott, R. (2022), se ha indicado: Preparaciones Preliminares
para las Mediciones, Instalación de los complementos de Microsoft Excel necesarios, Instalación
del driver CH340/CH341, Iniciación de los sensores y el programa del Arduino, Puesta en Marcha
del Sistema, Recolección de Datos Obtenidos, Apagado del Sistema y Especicaciones del
Sistema.
En la Figura 16, se muestran los pasos a seguir en la instalación del controlador para el Arduino.
Figura 16
Instalación del controlador (driver) CH340/CH341, dentro del manual de Uso.
Conclusiones
En línea con los objetivos planteados, la identicación de las condiciones iniciales del equipo
permitió detectar y corregir errores en la implementación anterior. La propuesta, al no implicar
modicaciones mecánicas, asegura la operatividad futura del reactor.
La introducción de un control de procesos automatizado posibilitó el registro preciso de variaciones
en múltiples variables, facilitando su interpretación y análisis posterior. Además, se demostró
experimentalmente que la agitación afecta la velocidad y uniformidad de la transferencia de calor.
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El manual de uso y el plan de mantenimiento proporcionarán orientación para la correcta utilización
del equipo, reduciendo posibles inconvenientes y previniendo futuras fallas. En última instancia,
esta propuesta ha ayudado a mitigar el costo de oportunidad asociado a un servicio no prestado,
asegurando la operatividad del equipo para mejorar la educación estudiantil universitaria y facilitar
investigaciones diversas.
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Copyright (2024) © Victoria Inés Acuña Ramírez, José Manuel Barriola Damborenea, Miguel Manuel
Pérez Hernández
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