por Mane RG hace 3 años
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La mejora en la transferencia de calor en los intercambiadores suele venir acompañada de un aumento en la caída de presión y, como consecuencia, de una potencia más alta de bombeo.
debe pensarse en cuál de los fluidos debe pasar por el lado de los tubos y cuál por el lado de la coraza
el fluido más viscoso es el más apropiado para el lado de la coraza (un área más grande de paso y, como consecuencia, menor caída de presión) y el fluido con la presión más elevada por el lado de los tubos.
Q=mcp(Tent-Tsal)
lo cual determina el requisito de transferencia de calor antes de tener una idea del propio intercambiador.
el objetivo es calentar o enfriar cierto fluido con un gasto masa y una temperatura conocidos hasta una temperatura deseada
Razón de transferencia del calor
Es la cantidad más importante en la selección de un intercambiador
debe ser capaz de transferir el calor a una razón específica para lograr el cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto masa determinado.
Costo
Las limitaciones en el presupuesto suelen desempeñar un papel importante en la selección de los intercambiadores
Un intercambiador que existe en catálogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se mandan a hacer sobre pedido.
Con frecuencia éste es el caso cuando el intercambiador es parte integral de todo un dispositivo que se va a fabricar
Potencia para el bombeo
En un intercambiador los dos fluidos suelen forzarse para que fluyan por medio de bombas o ventiladores que consumen energía eléctrica
Costo de operación = (Potencia de bombeo, kW) x (Horas de operación, h)x (Precio de la electricidad, dólares/kWh)
la potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los motores de las bombas y los ventiladores
La minimización de la caída de presión y del gasto masa de los fluidos abatirá el costo de operación del intercambiador, pero maximizará su tamaño y, por consiguiente, el costo inicial.
Tamaño y peso
entre más pequeño y más ligero es el intercambiador, mejor es.
el caso en las industrias automotriz y aeroespacial, en donde los requisitos con respecto al tamaño y al peso son más rigurosos
El espacio del que se dispone para el intercambiador en algunos casos limita la longitud de los tubos que se pueden usar.
Tipo
El tipo de intercambiador que se debe seleccionar depende principalmente del tipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de la presencia de cualesquiera procesos de cambio de fase
un intercambiador de placas o de tubos y coraza es muy apropiado para enfriar un líquido por medio de otro líquido.
Materiales
Los materiales que se usen en la construcción del intercambiador pueden constituir una consideración importante en la selección de los intercambiadores
los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas inferiores a 150°C.
Una diferencia de temperatura de 50°C o más entre los tubos y la coraza es posible que plantee problemas de expansión térmica diferencial que necesitan considerarse.
Otras consideraciones
Existen otras consideraciones en la selección de los intercambiadores de calor que pueden ser importantes o no, dependiendo de la aplicación.
En el proceso de selección algunas otras consideraciones importantes son la facilidad para darles servicio, un bajo costo de mantenimiento y la seguridad y la confiabilidad
el método de la LMTD resulta muy adecuado para la determinación del tamaño de un intercambiador de calor con el fin de dar lugar a las temperaturas prescritas de salid
Con el método de la LMTD, la tarea es seleccionar un intercambiador que satisfaga los requisitos prescritos de transferencia de calor
La tarea se completa al seleccionar un intercambiador de calor que tenga un área superficial de transferencia de calor igual a As o mayor que ésta.
la tarea es determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor de un intercambiador específico, o bien, determinar si un intercambiador del que se dispone en el almacén realizará el trabajo
Todavía se podría aplicar el método de la LMTD para este problema alternativo, pero el procedimiento requeriría tediosas iteraciones y, como consecuencia, no sería práctico
Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de la transferencia de calor
E=Q/Qmax
Q=C(Tsal-Tent)=Ch(Thsat-Thent)
La razón de la transferencia de calor real de un intercambiador de calor se puede determinar con base en un balance de energía en los fluidos caliente y frío
la razón máxima posible de la transferencia de calor de un intercambiador, en primer lugar se reconoce que la diferencia de temperatura máxima
La transferencia de calor en un intercambiador alcanzará su valor máximo cuando
1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente
2) el fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del frío
El aumento en la temperatura del fluido frío en un intercambiador de calor será igual a la caída de temperatura del fluido caliente cuando los gastos de masa y los calores específicos de los fluidos caliente y frío sean idénticos
La determinación de Qmáx requiere que se disponga de la temperatura de entrada de los fluidos caliente y frío y de sus gastos de masa
Q=EQmax=ECmin(Th, ent-Tc,ent)
C=Cmin/Cmax
La efectividad de un intercambiador de calor depende de su configuración geométrica así como de la configuración del flujo.
En el análisis de los intercambiadores de calor también resulta conveniente definir otra cantidad adimensional llamada relación de capacidades c
la efectividad de un intercambiador de calor es una función del número de unidades de transferencia NTU y de la relación de capacidades c
Las relaciones analíticas para la efectividad conducen a resultados más exactos que los diagramas
ya que los errores en la lectura de estos últimos son inevitables, y son muy adecuadas para el análisis mediante computadora de los intercambiadores.
se puede determinar la efectividad e basándose en cualquiera de los diagramas o en la relación de la efectividad para el tipo específico de intercambiador
se pueden determinar la razón de la transferencia de calor, Q y las temperaturas de salida, Th, sal y Tc, sal
el análisis de los intercambiadores de calor con temperaturas desconocidas a la salida es un procedimiento directo con el método de la efectividad-NTU
un balance de energía en cada fluido, en una sección diferencial del intercambiador
Q=-mcdT
la razón de la pérdida de calor desde el fluido caliente, en cualquier sección del intercambiador, es igual a la razón de la ganancia de calor por el fluido frío en esa sección
la diferencia media logarítmica de temperatura, que es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio que debe usarse en el análisis de los intercambiadores de calor
Para los intercambiadores de calor multipaso y de flujo cruzado, como se mostrará más adelante, la diferencia de temperatura media logarítmica debe corregirse mediante un factor de corrección.
Intercambiadores de calor a contraflujo
la variación de las temperaturas de los fluidos caliente y frío en un intercambiador de calor a contraflujo
los fluidos caliente y frío entran en el intercambiador por los extremos opuestos y, en este caso, la temperatura de salida del fluido frío
posible que sobrepase la de salida del fluido caliente.
la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser mayor que la de entrada del fluido caliente, ya que esto sería una violación de la segunda ley de la termodinámica.
La relación antes dada para la diferencia media logarítmica de temperatura se desarrolla usando un intercambiador de flujo paralelo
Para temperaturas de entrada y de salida específicas, la diferencia media logarítmica de temperatura para un intercambiador a contraflujo siempre es mayor
para lograr una razón específica de la transferencia de calor en un intercambiador de este tipo
En un intercambiador a contraflujo la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío permanecerá constante a lo largo del mismo cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos sean iguales
Intercambiadores de calor de pasos múltiples y de flujo cruzado: uso de un factor de corrección
La relación para la diferencia media logarítmica de temperatura Tml desarrollada con anterioridad sólo se limita a los intercambiadores de flujo paralelo o a contraflujo
desarrollan relaciones similares para los intercambiadores de flujo cruzado y de tubos y coraza de pasos múltiples
conveniente relacionar la diferencia equivalente de temperatura con la relación de la diferencia media logarítmica para el caso de contraflujo
Delta Tml=FDeltaTml
P=t2-t1/TI-T1
R=T1-T2/t2-t1
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 caliente y frío
Para un intercambiador de flujo cruzado y uno de casco y tubos de pasos múltiples, el factor de corrección es menor que la unidad
respecto a los valores correspondientes para el caso de contraflujo.
se refieren a la entrada y la salida, respectivamente. Nótese que para un intercambiador de tubos y coraza
flujo estacionario
el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas
el calor específico de un fluido cambia con la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud
se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor está perfectamente aislada
Q=mcp(Ts-Tent)
C=mCp
Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy cerca en la práctica y simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con poca desviación en la exactitud
En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo resulta conveniente combinar el producto del gasto de masa y el calor específico de un fluido en una sola cantidad.
La razón de capacidad calorífica de una corriente de fluido representa la velocidad de la transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1°C conforme fluye por el intercambiador de calor
la única ocasión en que la elevación de la temperatura de un fluido frío es igual a la caída de temperatura del fluido caliente es cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos son iguales
Un fluido común absorbe o libera una gran cantidad de calor a temperatura constante durante un proceso de cambio de fase
La razón de capacidad calorífica de un fluido durante un proceso de este tipo debe tender al infinito, puesto que el cambio en la temperatura es prácticamente cero
Q=UAsTm
La razón de la transferencia de calor en un intercambiador también se puede expresar de una manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento
El valor promedio del coeficiente de transferencia de calor total se puede determinar
describió en la sección anterior, utilizando los coeficientes de convección promedio para cada fluido
Rpared=ln(D0/Di)/2pikL
R=Rtotal+Rpared+R0
U_0A_0AT
La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción
resulta conveniente combinar todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R
El coeficiente de transferencia de calor total U es dominado por el coeficiente de convección más pequeño, puesto que el inverso de un número grande es pequeño.
el coeficiente de transferencia de calor más pequeño crea un cuello de botella sobre la trayectoria de la transferencia de calor e impide gravemente la transferencia de este último
Factor de incrustación
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo
acumulación de depósitos sobre las superficies de transferencia de calor.
La capa de depósitos representa una resistencia adicional para esta transferencia y hace que disminuya la razón de la misma en un intercambiador.
El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor
la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la incrustación química
Esta forma de incrustación se puede evitar recubriendo los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los metálicos
Este tipo de incrustación se conoce como incrustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico
La limpieza periódica de los intercambiadores y el tiempo de suspensión de actividades resultante son inconvenientes adicionales asociados con la incrustación.
El factor de incrustación depende de la temperatura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del servicio
La relación del coeficiente total de transferencia de calor dada con anterioridad es válida para superficies limpias
Esto se presenta en especial en zonas en donde el agua es dura.
en el flujo paralelo los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.
en el contraflujo los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.
Otro tipo de intercambiador de calor, diseñado específicamente para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen, es el compacto
Los pasajes a través de los cuales pasa el flujo en estos intercambiadores de calor compactos suelen ser pequeños, por lo que se puede considerar el flujo como laminar
La gran área superficial en los intercambiadores compactos se obtiene sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los dos fluidos
En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce como flujo cruzado
En un radiador de automóvil los dos fluidos son no mezclados.
el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales sea el de tubos y coraza
La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza
en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales
Un tipo innovador de intercambiador de calor que ha encontrado un amplio uso es el de placas y armazón (o sólo de placas), el cual consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo
Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor.
El intercambiador regenerativo del tipo estático básicamente es una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica
El calor se transfiere del fluido caliente hacia la matriz del regenerador durante el flujo del mismo, y de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de éste
El regenerador del tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor
La razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área b
