INTERCAMBIADORESDE CALOR

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el intercambio de calor entre dos fluidos, sin permitir que se mezclen entre si.

En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada uno de los fluidos y conducción a través de la pared que los separa.

Desde el punto de vista de diseño, existen dos formas de enfoque:

-Dimensionamiento de un Intercambiador-Cálculo de la energía transmitida

Se deben considerar problemas constructivos como:

-Dilatación y Contracción Térmica-Problemas de depósitos y/o erosión-Dimensiones prácticas-Problemas de corrosión

Tipos de intercambiadores de calorLos intercambiadores se fabrican en diversos tipos, siendo el mas simple el de tubos concentricos:

Tipos de intercambiadores de calor

Para tubo doble tipo de flujo paralelo, tanto el fluido caliente como el frío entra al intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.

Tipos de intercambiadores de calor

Por otra parte, en el de tipo contracorriente los fluidos caliente y frio entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

Tipos de intercambiadores de calorEn los intercambiadores compactos los dos fluidos se mueven perpendiculares entre si y esa configuración de flujos se le denomina flujo cruzado.

a) Tubos con aletas. (tubos planos, Aletas de placa continua).

b) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas de placa continua).

c) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas circulares).

Tipos de intercambiadores de calor

d) Aletas de Placa (un solo paso).e) Aletas de Placa (multipaso).

Tipos de intercambiadores de calor

Otro tipo común de intercambiador que se encuentran en las aplicaciones industriales son los de tubos y coraza.

Tipos de intercambiadores de calor

Tipos de intercambiadores de calorOtro tipo común de intercambiador que se encuentran en las aplicaciones industriales (Alimentos) son los de Placas.

Tipos de intercambiadores de calorOtra clase de intercambiador que se encuentran en las aplicaciones industriales son los de Espiral.

Tipos de intercambiadores de calorIntercambiadores de calor Enchaquetados.

Cálculos para intercambiadores de calorCOEFICIENTE GLOBAL.

En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U o una resistencia térmica total R expresada como:

en donde los subíndices i y o se refieren a las superficies interior y exterior de la pared que separa los dos fluidos, respectivamente.

TUAq'

Cuando el espesor de la pared del tubo es pequeño y la conductividad del material del tubo es elevada (Rpared ≈ 0), y la superficie interior y exterior del mismo son casi idénticas (A ≈ Ai ≈ Ao), la ultima relación se simplifica para quedar (U ≈ Ui ≈ Uo),

Factor de Incrustación.Los efectos de la incrustación tanto sobre la superficie interior como sobre la exterior de los tubos de un intercambiador de calor se pueden tomar en cuenta por medio de:

Rf,i y Rf,o son losfactores de incrustación en esas superficies.

Algunos factores de incrustación:

Análisis de Intercambiadores de calor:

Método de la Diferencia de Temperatura Media Logarítmica.

De los métodos usados en el análisis de los intercambiadores de calor, el de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) es el más adecuado para determinar el tamaño de un intercambiador cuando se conocen todas las temperaturas de entrada y salida.

ΔTln es la diferencia de temperatura media logarítmica, la cual es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio para usarse en el análisis de los intercambiadores.En este caso, ΔT1 y ΔT2 representan las diferencias de temperatura entre los dos fluidos en dos extremos (de entrada y de salida) del intercambiador.

ln' TUAq2

1

21ln

lnT

T

TTT

Para tubo doble tipo de flujo paralelo, tanto el fluido caliente como el frío entran al intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.

Para tubo doble tipo de flujo en contracorriente, el fluido caliente y el fluido frío entran al intercambiador por los extremos opuestos del mismo y fluyen en direcciones opuestas

Intercambiadores de Calor de pasos múltiples y de flujo cruzado.

Intercambiadores de Calor de pasos múltiples y de flujo cruzado.

Para los intercambiadores de tubos y coraza de pasos múltiples y de flujo cruzado (compactos), la diferencia de temperatura media logarítmica esta relacionada con la correspondiente al de contraflujo ΔTln CF como:

CFF TFT ln,ln,

en donde F es el factor de corrección, que depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y salida de las corrientes de losfluidos caliente y frio.

CFF TFT ln,ln,

2

1

21ln,

lnT

T

TTT CF CFTUAFq ln,'

Ejemplo:

Un intercambiador de calor de tubos concéntricos, se usa para enfriar un aceite lubricante. El flujo de agua de enfriamiento a través del tubo interno (Di=25 mm) es 0.2 kg/s, mientras que el flujo de aceite a través del anillo exterior (Do=45 mm) es 0.1 kg/s. El aceite y el agua, ingresan a temperaturas de 100º y 30ºC respectivamente. Qué longitud debe tener el intercambiador si la temperatura de salida del aceite debe ser de 60ºC. A) Para flujo en paralelo B) Para flujo en contracorriente(Cp Aceite: 2131 J/kgºK; Cp Agua: 4178 J/kgºCU=37.8W/m2 ºK )

Ejemplo:

Si se desea construir un intercambiador de dos pasos de tubo con uno de coraza, calcular el área del mismo, para las mismas condiciones del ejemplo anterior.

Cp Aceite: 2131 J/kgºK; Cp Agua: 4178 J/kgºCU=37.8W/m2 ºK )