INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor transfieren calor de un fluido de trabajo a otro. Por ejemplo, los generadores de vapor, los calentadores de agua de alimentación, los recalentadores y los condensadores son ejemplos de intercambiadores de calor que se encuentran en los sistemas de energía nuclear. La tasa de transferencia de calor a través de un intercambiador de calor generalmente se expresa en la forma:

a)      INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

El intercambiador de calor puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos, o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas.

 Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos pasos la unidad se llama horquilla.

El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar de tes y cabezales de retorno.

 Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas es la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección de intercambio. Cuando las horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies correspondientes a 40 pies lineales efectivas o más de doble tubo, el tubo interior se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una mala distribución del fluido en el ánulo. La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble tubo es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Cuando se usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere gran número de ellos. Esto requiere considerable espacio, y cada intercambiador de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas. El tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza periódica son prohibitivos comparados con otros tipos de equipos. Sin embargo, los intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso en donde la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 pies² o menos.

El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o tubos concéntricos. Esto se muestra en la figura, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuberías.

Media Logarítmica de la diferencia de temperaturas (MLDT)

Generalmente los fluidos experimentan variaciones de temperatura, que no son líneas rectas cuando las temperaturas se grafican contra longitudes.

La diferencia de temperaturas es la fuerza motriz mediante la cual el calor se transfiere desde la fuente hacia el receptor. La dirección relativa de los fluidos influye en el valor de la diferencia de temperaturas.

Para el caso de Intercambiador de calor en contra flujo, mantiene la transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro, por lo tanto el cambio de temperaturas (fluido caliente-frío) con respecto a la longitud del tubo (X) no es tan grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador de flujo paralelo. La ΔT entre ambos flujos es grande en la entrada del intercambiador.

Donde la temperatura media logarítmica es mayor en el contra flujo que para el arreglo en flujo paralelo, por consiguiente, el área superficial que se requiere para efectuar una transferencia de calor es más pequeña para contra flujo que para arreglo en paralelo suponiendo el mismo valor de U, también la temperatura final del fluido frío puede ser mayor que la temperatura final de fluido caliente en contra flujo, pero no en paralelo.

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

El coeficiente de transferencia de calor global representa la resistencia total a la transferencia de calor de un fluido a otro. La forma funcional de U o el producto UA, puede derivarse para cualquier geometría particular mediante la realización de un análisis de conducción estándar en el sistema de interés. Para ilustrar esto, considere primero una pared plana de espesor L, sujeta a convección en ambos lados.

Generalmente, se considera que toda la pared del tubo está a la misma temperatura, por lo que no se considera en el cálculo de U, de todas maneras, se debe evaluar si esta suposición es correcta.

COEFICIENTE DE PELÍCULA PARA FLUIDOS EN TUBOS

Sieder y Tate, basados en los datos de Morris y Whitman, hicieron una correlación posterior, tanto como para el calentamiento como enfriamiento de varios fluidos en tubos horizontales y verticales extendiendo ésta para flujos turbulentos para números de Reynolds mayores a los 10 000, esta ecuación dio una desviación media máxima de +15 y -10%.

Sección anular

Para el caso de la sección anular, se determina el valor de coeficiente de película en un tubo horizontal. Para este caso, se emplea un valor promedio, ya que la película presenta diferentes espesores. Se considera que hay condensación de película en la parte anular.

Tubo interior

En la tubería interior, existe el fenómeno de conversión forzada. Nusselt desarrollo una serie de ecuaciones, las cuales se relacionan con el número de Nusselt para hallar el valor del coeficiente de película. 

b)     EQUIPO DE INTERCAMBIADOR EN FLUJO CRUZADO

En muchas aplicaciones prácticas, sobre todo en el calentamiento y enfriamiento de gases, es más usual el empleo de cambiadores de flujo cruzado. Este tipo de intercambiadores también suele llamarse radiadores, solares, etc.

 En esos intercambiadores uno de los flujos pasa en flujo perpendicular a un banco de tubos calentándose o enfriándose al cruzarlo. El otro fluido pasa por el interior de los tubos que forman el banco de tubos. El número de tubos, así como la profundidad del banco de tubos está en relación con la temperatura deseada de la corriente de salida y con la cantidad de calor que se desea transferir.

  Diseño

Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades tales como  las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia de calor, y e l área superficial total para transferencia de calor.

 COMENTARIO PROFESIONAL:

La transferencia de calor, curso que forma parte del plan de estudios de la carrera de ingeniería química, como ciencia, va de la mano con la termodinámica, ya que la termodinámica nos indica la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer de un determinado proceso, mientras que la transferencia de calor nos ayuda a determinar el tiempo  que va a tomar transferirse dicho calor. Valor de vital importancia en la vida industrial, ya que es empleado para el análisis de eficiencia de los equipos presentes en una planta industrial.

Es muy común ver el plantas industriales calderas y condensadores. Sus usos son diversos, desde elevar la temperatura de un fluido a través de otro más caliente, disminuir la temperatura de un fluido empleando otro más frío, llevar un fluido a su punto de ebullición, condensar gases, etc. De forma general, la función de un equipo de intercambio de calor es transferir calor de un fluido a otro.