INTERCAMBIADORES DE CALOR

DEFINICIÓN Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES Tubulares. Carcaza y tubo Superficie rascada. Doble tubo Compacto Flujo cruzado Placas Espirales

CAMBIADORES DE CALOR TUBULARES Formado por tubos. Eficiencia media. Se pueden tratar líquidos de viscosidad baja, media, alta.

CAMBIADORES DE TUBOS Y CARCAZA Más usado en la industria. Serie de parejas de tubos concéntricos unidos unos a otros por medio de codos, dentro de una envolvente o calandria. Un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Los cabezales situados en los dos extremos de los tubos actúan tanto de distribuidores como de colectores. Los tubos que se emplean en la fabricación de estos cambiadores pueden ser rectos o corrugados. Se pueden establecer configuraciones de paso único o multipaso.

CARCAZA Y TUBO

CAMBIADORES DE SUPERFICIE RASCADA Son unos cambiadores de calor de tubos coaxiales. Trabajan con productos de viscosidad elevada: purés, concentrados de frutas, etc. Pueden soportar grandes presiones de trabajo en el lado del producto (hasta 40 bar), Están constituidos por dos tubos concéntricos, dispuestos casi siempre en posición vertical. El producto circulará por el espacio central, mientras que el fluido calor portador lo hará en contracorriente por el anular entre los dos tubos. El coeficiente de transmisión de calor es elevado.

CAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS Compuesto por uno o varios paquetes de placas de acero inoxidable. Estos cambiadores de calor son los más eficientes para el trabajo con líquidos de baja viscosidad. Los fluidos calientes y fríos fluyen en pasos alternados. Poseen unas acanaladuras: Incrementar la turbulencia del flujo. Aseguran la rigidez mecánica del conjunto Marcan el camino que deben recorrer los fluidos. Consiguen que se utilice toda la superficie de las placas sin que se produzcan caminos preferentes.

DOBLE TUBO Por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en: Flujo paralelo y Flujo contracorriente Intercambiador de doble tubo.

CAMBIADORES COMPACTOS Se denominan compactos debido a su pequeño tamaño y Peso. Relación área superficial/volumen mayores que 700m^2/m^3 Prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo - espacial y en sistemas marinos. Velocidades elevadas de transferencia en volúmenes pequeños.

Flujo cruzado

INTERCAMBIADORES DE CALOR ESPIRALES Los medios van en contracorriente. Las mismas características de flujo para cada medio. Se disminuye la tendencia al ensuciamiento Es compacto y requiere menos espacio para la instalación. Se fabrican en cualquier tipo de metal que pueda ser conformado en frío y soldado como acero al carbono inox., aleaciones de níquel y titanio etc.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Un intercambiador de calor esta relacionado con dos fluidos que fluyen por una pared sólida.

Rpared=ln(⁄)⁄2πkl=ln(rO⁄r)/2πkl la red de resistencias seria: R tot =R i +R pared +RO R=1/h iA i + ln(r o/r)/2πkl+1/h o A o Expresando la velocidad de transferencia de calor como : Q=ΔT/R=UA=Ui A iΔT=Uo AoΔT en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total

Como U es idéntica a la unidad del coeficiente de convección, h, cancelando ΔT 1/UA= 1/UA=1UA se tiene que R=1/hiAi+Rpar+1/hoAo

FACTOR INCRUSTACION Proceso en el cual materia no deseada se deposita sobre una superficie , dicho proceso puede ocurrir en presencia o en ausencia de un gradiente de temperatura.

TIPOS DE INCRUSTACIONES Por precipitacion (Cristalizacion de sales) CaCO3 en agua de mar. Corrosiva Biologicas Por reacciones quimicas Por solidificacion

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LAS INCRUSTACIONES Dependen de : Propiedades físicas, químicas y el PH del fluido a tratar. Estado físico del fluido Tipos y cantidades de impureza disueltos en el fluido Velocidad del fluido Régimen del fluido

Area= PiDL Resistencia pared= Ln(Do/Di)/2PiKL para un cilindro. R=Rtota= Ri + Rpared + Ro = 1/hiAi + Ln(Do/Di)/2PiKL + 1/hoAo Ai= area superficial Ao= area exterior

Tenemos que : 1/Uas= 1/UiAi= 1/UoAo= R= 1/hiAi +Rpared+1/hoAo Donde U= coeficiente de transferencia de calor total. (W/m2·c) la cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convención como h.

Factor de incrustación (Rf) medida de resistencia térmica introducida por incrustación. Ecuación general 1/Uas= 1/UiAi= 1/UoAo=R= 1/hiAi +Rfi/Ai +Ln(Do/Di)/2PiKL +Rfo/Ao +1/hoAo Rfi y Rfo son factor de incrustación en las superficies interiores y exteriores.

La unidad se da en (Rf) m2·c/W Donde en la tabla tenemos un orden estándar de 10-4m2·c/W que equivale a la resistencia térmica de una capa de caliza de 0.2mm de espesor y un K=2.9W/m2·c por unidad de área superficial.

MÈTODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA DE TEMPERATURA Es un método utilizado para desarrollar una relación para la diferencia de temperatura promedio equivalente entre los dos fluidos del intercambiador para el intercambiador de doble tubo y flujo paralelo. Q= U As ΔTm ΔTm : Diferencia media de temperatura U : Coeficiente de transferencia de calor total As : Área de transferencia de calor

Si se que supone la superficie exterior del intercambiador esta bien aislada, de modo que cualquier transferencia de calor ocurre entre los dos fluidos y se descarta cualquier cambio en la energía cinética y potencial, un balance de energía en cada fluido, en una sección diferencial del intercambiador se puede expresar como: Es decir la velocidad de la perdida de calor desde el fluido caliente, en cualquier sección del intercambiador, es igual a la velocidad de la ganancia de calor por el fluido frió en esa sección.

Despejando dTh y dTc Al restar la segunda de la primera queda : La velocidad de transferencia de calor en la sección diferencial del intercambiador también se puede expresar:

ΔTml = Diferencia media de temperatura logarítmica Sustituyendo y reacomodando los términos da: Al hacer la integración desde la entrada del intercambiador hasta su salida, se obtiene: De donde Produciendo Q= U As ΔTml ΔTml = Diferencia media de temperatura logarítmica

VARIACION DE LA TEMPERATURA DE LOS FLUIDOS EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO DOBLE Y FLUJO PARALELO

EXPRESIONES EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE FLUJO PARALELO Y CONTRAFLUJO

INTERCAMBIADORES DE CALOR A CONTRAFLUJO La temperatura de salida del fluido frió , es posible que sobrepase a la de la salida del fluido caliente. En el caso limite, el fluido frió se calentara hasta la temperatura de entrada del fluido caliente, nunca por encima de esta. Por ende se necesita menor área de transferencia de calor, y por consiguiente un intercambiador mas pequeño para logra una velocidad de transferencia especifica. La diferencia de temperatura entre los fluidos frió y caliente permanece constante a lo largo del mismo cuando las razones de capacidad calórico de los fluidos sean iguales.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PASOS MULTIPLES Y DE FLUJO CRUZADO “USO DE UN FACTOR DE CORRECCION” En este caso se desarrollan expresiones para estos tipos de intercambiadores de calor, pero dichas expresiones son demasiado complicadas debido a las complejas condiciones de flujo. En esto casos se establece la siguiente relación: Donde F es el factor de corrección, el cual depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido calientes y frió.

Para un intercambiador de flujo cruzado, uno de casco y uno de tubos de paso múltiple, el factor de corrección es menor que la unidad, es decir F es medida de la desviación de la ΔTml con respecto a los valores correspondientes para el caso de contraflujo.

CALCULO DEL FACTOR DE CORRECCION En donde 1 y 2 se refieren a la entrada y a la salida respectivamente, en la cual T y t representan las temperaturas del lado del casco y del tubo respectivamente. El valor de P va de 0 ha 1, por otra parte el de R va de cero hasta infinito, R = 0 Corresponde al cambio de fase del lado del del casco, y R igual a infinito, representa Un cambio de fase en el lado del tubo, el factor de correccion para estos dos casos Es igual a 1.

Método de la efectividad NTU Este método es utilizado cuando se desea determinar: la velocidad de la transferencia de calor. Las temperaturas a la salida del intercambiador El rendimiento con respecto a la transferencia de calor del intercambiador especifico. Sabiendo de antemano el tipo y tamaño del intercambiador, los gastos de masa y las temperaturas a la entrada.

Efectividad de transferencia de calor La velocidad de transferencia de calor real en intercambiador puede expresarse como

Determinación de la velocidad real de transferencia de calor en un intercambiador La máxima transferencia de calor se dará cuando: (1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del fluido caliente.(2) el fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del fluido frío.

Determinación de la máxima velocidad de transferencia de calor en un intercambiador La efectividad de un intercambiador depende de la configuración geométrica y de la configuración del flujo

Algunos parámetros adimensionales

Relación de efectividad para intercambiadores de calor

Efectividad para los intercambiadores de calor

Efectividad para los intercambiadores de calor

Efectividad para los intercambiadores de calor

Observaciones con base en las relaciones y los diagramas La efectividad varia de 0 hasta 1. Para un NTU y una relación de capacidades dados, el intercambiador de contraflujo tiene la efectividad mas elevada La efectividad de un intercambiador es independiente de la relación de capacidades c para valores de NTU menores que 0.3 el valor de la relación de c va de 0 hasta 1. en el caso de c=0 todas las relaciones de efectividad se reducen a

NTU Vs e

NTU Vs e , cuando c=0

Relaciones del NTU para los intercambiadores de calor

ANÁLISIS TÉRMICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

ANÁLISIS TÉRMICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR El objetivo de un análisis térmico de un intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frío. Un balance de energía da como resultado: [ Energía perdida por el flujo caliente]= [Energía ganada por el flujo frío]

mhch(Thi-Th0) = mccc(Tci-Tc0) o bien: mhch(Thi-Th0) = mccc(Tci-Tc0) donde: mh : Flujo másico del fluido caliente ch : Calor específico del fluido caliente Thi , :Temperatura de entrada del fluido caliente Th0:Temperatura de salida del fluido caliente mc : Flujo másico del fluido frío cc : Calor específico del fluido frío Tci : Temperatura de entrada del fluido frío Tc0 : Temperatura de salida del fluido frío

El producto (m c) aparece con frecuencia en el análisis de intercambiadores de calor y es denominado, Capacidad calorífica, C: C = (m c) Existen dos metodologías de análisis térmico de intercambiadores de calor. Método F - LMTD 2. Método ε - NTU

Consideremos el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la Figura, el cual opera en flujo paralelo. Se propone calcular el flujo de calor mediante: q = U A ΔTm Donde: q: Flujo de calor [ W] U : Coeficiente Global de transferencia de calor, [W /m2k] A: Área de transferencia de calor consistente con U. ΔT m : Diferencia de temperatura media

donde LMTD son las siglas en inglés de Logarithm Mean Temperature Difference (Diferencia de temperatura logarítmica media). Esta es la expresión para LMTD, tanto en flujo en paralelo con en contracorriente. Para el caso en particular en el cual ambos fluidos poseen la misma capacidad calorífica Cc = Ch se obtiene que ΔT1 = ΔT2 de manera que se presenta una indeterminación el el calculo de ΔTm, que al solventar aplicando la regla de L’hopital se obtiene finalmente que ΔTm = ΔT1 = ΔT2

SELECCIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

CONSIDERACIONES coeficiente global de transferencia de calor U constante. Determinación de los coeficientes de calor por convección asociada a lo anterior. La incertidumbre en el valor de U incluso superar el 30%. Mejora en los intercambiadores suele venir acompañada de un aumento en la caída de presión.

Cualquier ganancia en la transferencia debe contrapesarse con el costo de la caída de presión que la acompaña. Elegir cual de los fluidos debe pasar por el lado del tubo y cual por el lado del casco. Por lo general el fluido mas viscoso es el mas apropiado para el lado del casco. (se produce menor caída de presión)

VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR Comprende un parámetro importante en la selección. debido a que define la transferencia de calor a la velocidad especifica. Permite lograr el cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto másico que se pretende.

COSTO Desempeña un papel importante en la selección de los intercambiadores Se debe tener en cuenta que un intercambiador que existe en catalogo será mas económico que los que mandan a hacer sobre pedido. Costos de operación y de mantenimiento se deben tener en cuenta en la valoración del costo total.

POTENCIA PARA EL BOMBEO Los flujos deben forzarse a fluir por medio de bombas o ventiladores Debido a que estos dispositivos consumen potencia eléctrica: Velocidades de los fluidos varían entre 0.7 y 7 m/s (líquidos); 3 y 30 m/s (gases).

TAMAÑO Y PESO Recae en el tipo de aplicación para la que se requiere el intercambiador. Por ejemplo en las industrias automotriz y aeroespacial. (espacio disponible) Normalmente es mejor el mas pequeño y liviano. Además se espera que uno mas grande sea mas costoso.

TIPO Depende del tipo de fluidos que intervienen, limitaciones de tamaño y peso y la presencia de procesos de cambio de fase. Un intercambiador de placas o de casco y tubos es adecuado para enfriar un liquido por medio de otro liquido

MATERIALES No se consideran los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15atm. También se debe tener en cuenta se la diferencia de calor en los tubos podría ocasionar una expansión térmica considerable. Se trabaja con fluidos corrosivos.

EJEMPLOS

Ejemplo 1: determinación del coeficiente de transferencia de calor total

Ejemplo 2: efecto de la incrustación sobre el coeficiente de transferencia de calor Resistencia térmica por unidad de longitud Coeficientes de transferencia de calor totales Ui, Uo

Ejemplo 3: calentamiento de agua en un intercambiador de calor a contraflujo

Ejemplo 4: enfriamiento de un radiador automotriz

Ejemplo 5: uso del método de la efectividad – NTU para el ejemplo 3