Intercambiadores de Calor Tipo Espiral

8/17/2019 Intercambiadores de Calor Tipo Espiral

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INTERCAMBIADORES DE CALOR TIPO ESPIRAL:

Juan Ardila, nos dice que “El uso de tubos en espiral en intercambiadores decalor ha crecido, lo que ha hecho crecer el interés de la academia en el estudio

de estos dispositivos, encontrándose que el mejoramiento en la tasa de

transferencia obedece a la formación de flujos secundarios al interior de lostubos. Por tal razón, se han planteado una serie de correlaciones de

transferencia de calor, desarrolladas numérica o experimentalmente, que

permiten predecir la convección en los tubos en espiral dimensionar los

intercambiadores, que son actualmente una herramienta fundamental de

dise!o."

Según Zachár , se ha investi#ado sobre diferentes métodos para mejorar latasa de transferencia de calor en intercambiadores sobre diferentes técnicas

de mejora$ éstas se han clasificado en dos cate#or%as principales$ técnicas

activas que requieren alimentación externa &vibración o campos

electroma#néticos' técnicas pasivas que no necesitan alimentación externa

eometr%as especiales o inserciones dentro del tubo'. (n método pasivo mu

usado es el de tubos en espiral )*+ en los que el flujo secundario causado por la

fuerza centr%fu#a aumenta la transferencia de calor )+. -a transferencia de

calor en tubos circulares curvados ha sido objeto de varios estudios, los cuales

tienen amplia difusión en la literatura cient%fica las tasas de transferencia de

calor en las bobinas helicoidales son más altas en comparación con los tubos

rectos, por lo cual son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales )/+.

0ebido a la alta eficiencia en la transferencia de calor el volumen compacto,los intercambiadores de tubo en espiral se utilizan ampliamente en calderas,

fri#or%ficos, reactores nucleares, plantas qu%micas, de medicamentos, alimentos

crio#enia, as% como en dispositivos militares de aire acondicionado )1, 2,

3+.0e acuerdo con h!r"ani, su principal aplicación se encuentra en lossistemas solares domésticos de a#ua caliente &4056 7 4olar 0omestic 5ot

6ater' sin embar#o, su uso en sistemas de recuperación de calor se

encuentra en aumento. -a tasa de transferencia de calor de los

intercambiadores de calor en espiral es si#nificativamente maor que en

intercambiadores de tubos rectos debido al patrón de flujo secundario enplanos normales a la corriente principal )/+.

4e#8n J!#e Sala$ar , los intercambiadores de calor tipo espiral están formadospor placas enrolladas que mantienen los fluidos separados las placas se

colocan en el interior de un recipiente cilindrico, cerrado con tapas herméticas

por ambos lados.

-os fluidos pueden circular de las si#uientes formas$

9 :mbos fluidos en espiral

9 (n fluido en espiral otro en forma axial


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9 (n fluido en forma axial el otro en forma combinada &espiral axial'

-a ventaja de estos equipos se#8n la gu%a de in&erca'"iad!re# de cal!r , esel fluir continuamente entre curvas induce turbulencia en los fluidos, lo cual

mejora la transferencia de calor reduce el ensuciamiento. Estos equipos son

mu utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos l%quidos con sólidos ensuspensión, as% como también en operaciones de condensación vaporización.

;aras veces se requiere de aislantes, a que son dise!ados de tal manera que

el refri#erante pase por el canal externo. Entre sus caracter%sticas más

resaltantes se pueden mencionar que se emplean con flujo en contracorriente

puro, no presentan problemas de expansión diferencial, son compactos

pueden emplearse para intercambiar calor entre dos o más fluidos a la vez.

Estos equipos se emplean normalmente para aplicaciones crio#énicas.


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La (igura / ilustra el arre#lo de intercambiador de calor de coraza tubohelicoidal pueden apreciarse dos disposiciones$ &a' con n8cleo vac%o, endonde la coraza rodea la hélice exclusivamente, &b' de tipo tanque, en dondela hélice está inmersa en el fluido que circula a través de la coraza. Es posibleencontrar dispositivos que trabajan a contracorriente o con flujo paralelo, obien, con orientación vertical u horizontal, dependiendo de las necesidadesparticulares de la disponibilidad de espacio al#unos estudios han tratado losefectos de estas posibilidades )*2+.

(na variación importante de este tipo de aplicaciones es el intercambiador decalor de tubos en espiral en reservorios térmicos, durante décadas pasadas hahabido un rápido crecimiento de interés en el uso de estos a fin de lo#rar larecuperación rápida de calor de alta calidad, los reservorios térmicosalmacenan el calor presente en un medio conveniente relativamente barato&como el a#ua' para la optimización de su uso la disminución de las reservasde combustible para la calefacción sus beneficios incluen$ reducción deltama?o de las calderas, maor eficiencia en su funcionamiento nivelación decar#a en las horas pico de demanda )*@+. En la (igura 0 puede observarse laposible disposición de estos arre#los


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"+ In&erca'"iad!re# de &u"!# c!nc1n&ric!# en e#-iral

-a disposición de intercambiadores de calor de tubos concéntricos seencuentra en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento deespacios, calderas, condensadores, preAcalentadores o postAenfriadores defluidos i#ualmente es posible encontrar dicha disposición de tubos en espiralhelicoidal que consta de un tubo interior por donde flue com8nmente el fluidocaliente un tubo exterior que forma una re#ión anular a través de la cual flue,#eneralmente en contracorriente, el fluido fr%o, tal como se muestra en la Bi#ura/ son aplicables diversas combinaciones de fluidos.


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-a circulación del fluido fr%o en las re#iones de la coraza cercanas a la espiral,en los intercambiadores de calor de coraza tubo en espiral, es pobre esteproblema puede evitarse mediante el uso de una confi#uración de tubosconcéntricos en espiral helicoidal )@+. El dise?o de un intercambiador de calor de doble tubo helicoidal requiere definir los coeficientes de transferencia decalor para los dos lados del tubo, la tasa de flujo en el tubo helicoidal en el

espacio anular, junto con las temperaturas deseadas en la entrada la salida)C+.

O&ra# carac&er%#&ica# di#-!ni"le#

La (igura 2 presenta diferentes disposiciones posibles$ &a' tubo torsionado, &b'membrana helicoidal &c' hélice rectan#ular.


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Es com8n encontrar modificaciones o caracter%sticas especiales que buscanincrementar las prestaciones o el rendimiento de los intercambiadores de calor de tuboen espiral, bien sea plana o helicoidal, por ejemplo$ El torsionadoproporciona una maor superficie para una lon#itud dada de tubo crea unaacción de mezcla turbulenta que da lu#ar a una transferencia de calor mu altaa través de las paredes del tubo. -os intercambiadores de calor de tubo enespiral con pared torsionada muestran incrementos del @=AD==> en la tasa detransferencia de calor debido al movimiento adicional #iratorio que #enerafenómeno de vórtice )D+ la membrana helicoidal mostrada en la Bi#ura 1&b' seutiliza para sistemas de recuperación de calor residual debido a su altocoeficiente #lobal de transferencia de calor confi#uración compacta )DC+ lacombinación de tubos rectos con tramos curvos permite #ran versatilidad dedise?o adaptación a diferentes espacios disponibles en conveniencia con lasnecesidades de dise?o las ventajas de cada una de estas disposiciones.


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03 CORRELACIONES PARA DISE4O DE LOS INTERCAMBIADORESDET*BO EN ESPIRAL

El dise?o de intercambiadores de calor de tubo en espiral implica sudimensionamiento para la satisfacción de los requerimientos ener#éticos de

cada situación particular, a saber$ la transferencia de calor necesaria paraalcanzar las temperaturas deseadas en los fluidos de trabajos los consumosener#éticos en bombeo o ventilación de los fluidos a través del intercambiador para vencer las ca%das de presión experimentadas en este. -a ecuación &D'permite conocer el área de transferencia asociada a un flujo de calor &'referido al cambio de temperatura media apropiado a un coeficiente#lobal de transferencia de calor &(' dicha área depende del desarrollo de laespira que describe el tubo, es decir, de la lon#itud del tubo de su diámetro&en el caso de tubo liso para tubo corru#ado, torsionado o con aletasintervienen otros parámetros' el flujo de calor depende del flujo másico del

fluido de su calor espec%fico a presión constante del cambio deseado

de la temperatura del fluido &si no existe cambio de fase', tal como seexpresa en &*'.

El cambio apropiado de temperatura media depende de los cambios detemperatura de los fluidos deseado necesario, es decir, delcalentamiento o enfriamiento que se espera obtener en un fluido del que senecesita experimente el otro fluido para satisfacer la condición deseada el

cambio de temperatura medio usado más com8nmente es el cambio detemperatura medio lo#ar%tmico que puede calcularse mediante &', dondela definición de los deltas de temperatura depende de la disposición delflujo, bien sea paralelo o en contracorriente, pero siempre estarán dados por las temperaturas de entrada salida de los fluidos, es decir por sus .

El coeficiente #lobal de transferencia de calor &(' para intercambiadores decalor de tubo en espiral se reduce a &/', donde los sub%ndices i se refieren a

las superficies interna externa del tubo, h es el coeficiente convectivo detransferencia de calor, : es el área de la superficie, 0 es el diámetro del tubo, -es la lon#itud del tubo, es decir, el desarrollo de la espira, F es laconductividad del material del tubo la expresión puede extenderse si se tieneen cuenta la resistencia térmica adicional introducida por las impurezas einclusiones que empiezan a desarrollarse en las superficies.

El problema para el dise?ador está en la estimación de los coeficientes

convectivos de transferencia de calor &h' que resulten acertados para laconfi#uración de tubos en espiral. El método más práctico a menudo implica el


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cálculo de h a partir de correlaciones emp%ricas de la forma &1' para tuboscurvados la forma particular de estas ecuaciones se obtiene relacionandoresultados de mediciones de transferencia de calor por convección en términosde #rupos adimensionales apropiados )D+. El n8mero de Gusseltproporciona una medida de la transferencia de calor por convección que ocurre

en la superficie. 4e#8n Gu debe ser al#una función universal del n8mero de0ean &0e' del n8mero de Prandtl &Pr' si se conociera está función podr%aencontrarse el coeficiente convectivo h.

En &1' es una lon#itud caracter%stica, en el caso de tubo en espiral es sudiámetro Ff es la conductividad térmica del fluido. El parámetro adimensionalde Prandtl queda definido en &2' es la razón de difusividades de momento térmica es una caracter%stica propia del fluido, que da una medida de la

efectividad relativa del transporte de momento ener#%a por difusión en lascapas l%mite hidrodinámica térmica. 0ean fue el primero en predecir teóricamente el flujo secundario causado por las fuerzas centr%fu#as en DC*@su análisis de perturbación predijo que, para relaciones de curvatura #randes,la pérdida por fricción es función de un solo parámetro, que ahora se llama eln8mero de 0ean )*+ lo definió tal como aparece en &3' es una caracter%sticapropia del flujo la #eometr%a$ ;ecuérdese que el n8mero de ;enolds &;e'definido en &@' es la razón de las fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas en lacapa l%mite hidrodinámica determina la existencia de flujo laminar o turbulentose#8n predominen las fuerzas de velocidad a las de fricción.

0onde H es la viscosidad del fluido p es su densidad, I es la velocidad media

del flujo, r es el radio del tubo ; es el radio de curvatura de la espira. El;enolds cr%tico para tubos en espiral viene definido por &C' se#8n 4rinivasanque estudió la transición sobre la base de mediciones del coeficiente de fricción propuso la correlación para el n8mero de ;enolds cr%tico en tubos curvadosJto propone un l%mite para la transición de flujo laminar a turbulento como &D=',que muestra que el efecto de la curvatura es retrasar la transición con respectoa tubos rectos Ci!nc!lini , San&ini proponen correlaciones más complejaspara el n8mero de ;enolds cr%tico.


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Para valores t%picos de curvatura, &C' &D=' arrojan valores similares, por ejemplo D==2C @2D para ó D3= D*=1D para . Por otro

lado, como se dijo anteriormente, ha tanto interés en la ca%da de presión

asociada con el flujo a través del intercambiador como en la transferencia#lobal de calor la potencia que se requiere para impulsar el fluido a menudoimplica un #asto de operación maor es directamente proporcional a la ca%dade presión definida en &DD' se#8n 0arc 7 6eisbach determinar esta ca%da depresión presenta un nuevo reto para el dise?ador en la estimación correcta delfactor de fricción &f', pero de nuevo resulta com8n encontrar correlacionesemp%ricas en términos de #rupos adimensionales pertinentes.

C!rrelaci!ne# -ara &ran#5erencia de cal!r

Gumerosos investi#adores han publicado correlaciones para transferencia decalor como resultado de su trabajo, no solamente experimental, sino tambiénnumérico cabe aclarar el hecho de que la simulación se ha convertido en unavaliosa herramienta para determinar correlaciones, siempre que los modelosempleados sean debidamente validados a partir de resultados experimentalescercanos al fenómeno a simular numéricamente. -a Kabla D presenta al#unasde las principales correlaciones para transferencia de calor empleadas en

intercambiadores de calor de tubos en espiral, ecuaciones &D*' a &D@'.

En la (igura 6 puede apreciarse una comparación entre las correlacionespublicadas por 0ravid dichas correlaciones presentan una tendencia clara$ elincremento de transferencia de calor asociado al incremento de flujo másico ala hora del cálculo de los coeficientes convectivos resulta indistinto el uso decualesquiera de ellas, #enerando diferencias menores al 1> en eldimensionamiento de los intercambiadores. -a #ráfica se construó para unfluido supuesto con Prandtl de 1 en un ran#o de flujos con 0ean desde ==hasta *=== al#unas de estas correlaciones se establecieron a partir deresultados experimentales, otras a partir de análisis numérico.

(na relación extensa de correlaciones para el n8mero de Gusselt a partir deotros parámetros como el n8mero de ;enolds o la razón de curvatura, deotras #eometr%as especiales como tubo torsionado, o de procesos en lo quehaa cambio de fase como evaporación o condensación, con variedad defluidos, tanto experimentales como numéricos.


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C!rrelaci!ne# -ara ca%da de -re#i7n

Gumerosos investi#adores han abordado el tema de la ca%da de presión hanpublicado correlaciones para el factor de fricción a continuación se presentanal#unas de ellas. El factor de fricción para flujo laminar en tubos en espiralhelicoidal puede calcularse con &DC' .

0onde para para para para ,

$ factor de fricción en tubo recto.

El factor de fricción para flujo laminar en tubos en espiral helicoidal puedecalcularse a partir de &*=', para flujo turbulento se#8n &*D' .


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El factor de fricción en flujo turbulento se correlaciona con el n8mero de;enolds por considerarse un parámetro más exacto que el n8mero de 0ean.Lori GaFaama proponen &**' para el cálculo del factor de fricción enré#imen turbulento para tubos curvados.

El factor de fricción se#8n 8hi&e se presenta en &*' &*/' para diferentesran#os del n8mero de 0ean o del n8mero de ;enolds.

Miblio#raf%a

1. Juan Gonzalo Ardila Marín, Intercambiadores de calor de tubo en espiral vol.

112. GUIA DE INTERCAMBIADORES DE CALOR: TIPOS GENERALES Y

APLICACIONES, UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Departamento e Termo!n"m!#a $ %en&meno' e Tran'(eren#!a

3. )o'e Sa*a+ar Va*e', D!'eo e e-.!po' e tran'(eren#!a e #a*or/4. Zac!r, "Anal#sis o$ coiled%tube eat e&can'ers to improve eat trans$er

rate (it spirall# corru'ated (all,) International Journal o$ *eat and Mass+rans$er, vol. 3, June 2-1-, pp. 32/% 33.

1. 0. Minton, "esi'nin' spiral tube eat e&can'ers,) emical en'ineerin',

vol. , o. 11, 1-, pp. 14%12.

2. . Gorbani, *. +aerian, M. Gor5iand *. Mir'olbabaei, "6&perimental stud#

o$ mi&ed convection eat trans$er in vertical elicall# coiled tube eat

e&can'ers,) 6&perimental +ermal and 7luid 8cience, vol. 34, 7ebruar#

2-1-, pp. --%-.

3. .M. 9ite, "7luid $riction and its relation to eat trans$er,) +ransactions o$

Institution o$ emical 6n'ineerin', vol. 1-, 12, pp. ::%/:.


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@. ;. Mori and 9. a

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